Teadlased valmistuvad otsima gravitatsioonilaineid

 (15)
Teadlased valmistuvad otsima gravitatsioonilaineid
Kunstniku ettekujutus kavandatavast LISA missioonist, mis koosneks omavahel laserkiirtega ühendatud kolmest komoselaevast. Tegemist oleks esimese kosmosemissiooniga, millega üritatakse gravitatsioonilaineid tabada. (Pilt: ESA)

Rühm NASA reaktiivliikumise laboratooriumi teadlasi ja insenere on maailma gravitatsioonilainete „kuulamisele“ sammukese lähemale toonud. Gravitatsioonilained on aegruumi virvendused, mille olemasolu ennustas 20. sajandi alguses esmakordselt Albert Einstein.

PL laboratooriumis (Pasadena, California) korraldatud uurimuses katsetati laseritesüsteemi, mis lendab kavandatava kosmoseprojekti LISA (Laser Interferometer Space Antenna ehk laserinterferomeetriga kosmoseantenn) pardal. Missiooni eesmärk on leida märke vaiksetest sosinasarnastest gravitatsioonilainete signaalidest, mida ei ole siiani otseselt uurida suudetud. See ei ole lihtne ülesanne ning ületada tuleb mitmeid raskusi, vahendab Fyysika.ee.

Viimaste JPL-s tehtud katsetega on jõutud uue verstapostini — esmakordselt tõestati, et LISA laserkiirte juhuslikke võnkumisi või müra on võimalik gravitatsioonilainete raskesti tajutava hääle kuulamiseks piisavalt vaigistada.

„Gravitatsioonilainete eristamiseks tuleb sooritada väga täpseid mõõtmisi,” ütleb JPL-is töötav füüsik Bill Klipstein. „Meie laserid on mõõdetavast häälest palju lärmakamad, seega peame selge signaali saamiseks selle müra hoolikalt eemaldama. See on nagu äikesetormis sule kukkumise kuulamine.”

JPL meeskond on üks paljudest LISA kallal töötavatest rühmadest. LISA on Euroopa Kosmoseagentuuri ning NASA ühiselt kavandatav kosmosemissioon, mis valituks osutuna stardib 2020 aastal või hiljem. Selle aasta augustis andis 2010. aasta USA riiklik uurimisnõukogu (U.S. National Research Council) oma kümne aasta kohta käivas astronoomiat ja astrofüüsikat käsitlevas raportis LISA-le väga head soovitused.

Üks LISA põhieesmärke on gravitatsioonilainete otsimine. Selle kosmilise kiirguse uurimine sai tõsise alguse juba aastakümneid tagasi, kui teadlased avastasid 1947. aastal surnud tähtede (pulsarite) paari, mis seletamatu energiakao tõttu üksteisele spiraalselt lähemale liikusid. Hiljem tõestati, et see energia on gravitatsioonikiirgus. See oli esimene kaudne tõend gravitatsioonilainete eksisteerimise kohta ning sai lõpuks, 1993. aastal, Nobeli preemia.

Loodetakse, et LISA mitte ainult ei „kuule” laineid, vaid saab ka rohkem teada nende allikatest, suurtest objektidest nagu mustad augud ja surnud tähed, mis ise läbi aja ja kosmose kihutades saadavad laineid justkui laulumeloodiatena universumisse. Missiooni käigus suudetaks tajuda suurte objektide nagu Linnutee ja teiste kaugemate galaktikate gravitatsioonilaineid, mis aitaks teadlastel mõista täiesti uut osa meie Universumist.

Kavandatav missioon koosneks kolmest omavahel laserkiirtega ühendatud kosmoselaevast, mis moodustksid hiiglasuure kolmnurga. Need kosmoselaevad lendaksid Maast umbes 20 kraadi kaugusel ümber Päikese. Igaühes neist oleks plaatinumist ja kullast tehtud kuubik, mis hõljuks ruumis vabalt. Kosmoslaevadest möödudes, põhjustaksid gravitatsioonilained peaaegu märkamatuid muutusi kuubikute (või testmasside) vahelistes kaugustes. Siiski oleksid muutused piisavad, et LISA eriti tundlikud mõõteriistad suudaksid tajuda nendega kaasnevaid erinevusi omavahel ühenduses olevates laserkiirtes.

„Gravitatsioonilained panevad „korgid” liikuma, kuid vaid imevähe,” ütleb teadlane ning JPL-s korraldatud uurimuse kaasautor Glenn de Vine. „Üks sõber ütles kunagi, et need on kui vannis ringiujuvad kummipardid.”

JPL meeskond on viimased kuus aastat selle LISA tehnoloogia, kaasa arvatud faasimõõturite (kõrgelt arenenud laserkiirte tuvastajate), kallal töötanud. Viimases uurimuses jõuti suure hulga püstitatud põhieesmärkideni — faasimõõturite tajutavat laserite müra vähendati miljard korda, mis on piisav gravitatsioonilainete signaali avastamiseks.

See töö on kui heinakuhjast prootoni otsimine. Gravitatsioonilained muudaksid üksteisest 5 miljoni kilomeetri kaugusel lendavate kosmoselaevade vahelist kaugust umbes pikomeetri jagu. Pikomeeter on inimese juuksekarva laiusest umbes 100 miljonit korda väiksem. Teisisõnu, kosmoselaevad oleksid üksteisest 5 000 000 000 meetri kaugusel ning LISA suudaks kaugustes tajuda 0.000000000005 m suurusi muutusi.

LISA lasertehnoloogia keskmeks on interferomeetria, mis teeb kindlaks, kas laserkiirte läbitud teekond ning seega ka kolme kosmoselaeva vaheline kaugus on gravitatsioonilainete tõttu muutunud või mitte. See on nagu ookeani lainetus — mõnikord töötavad lained koos ja on suuremad, kuid teinekord on nad vastupidised ning seetõttu väiksemad.

„Me ei saa kosmoselaevade vahelist kauguste mõõtmises kasutada mõõdulinti,” ütleb de Vine,“seega kasutame selleks lasereid. Nende lainepikkused on meile kui mõõdulindi märgised.”

LISA-l tajuvad laservalgust faasimõõturid ning seejärel saadetakse see maapinnale, kus seda „interfereerib” andmetöötlus (protsessi kutsutakse viivitatud interferomeetriaks, sest enne interferomeetria rakendamist toimub viivitus). Kui laserkiirte vaheline interferentsimuster on sama, tähendab see, et kosmoselaevad pole üksteisese suhtes liikunud. Interferentsimustri muutudes liikusid ka kosmoselaevad. Juhul kui on kõrvaldatud kõik teised põhjused, mille tõttu kosmoselaevad liikuda võiksid, on järelikult paharetiks gravitatsioonilained.

See on katse põhiidee. Tegelikkuses leidub ka teisi tegureid, mis uurimise keerukamaks muudavad. Näiteks ei seisa kosmoselaevad paigal. Nad liiguvad täiesti loomulikul viisil ringi põhjustel, millel pole gravitatsioonilainetega mingit pistmist. Teine väljakutse on laserkiirtega kaasnev müra. Kuidas teada, kas kosmoselaev liikus gravitatsioonilainete tõttu või jätab laserite müra lihtsalt mulje, et see on liikunud?

See on küsimus, millega JPL meeskond hakkas hiljuti oma LISA süsteemi imiteerivas laboris tegelema. Nad suunasid laseritesse suvalist kunstlikku müra ning eemaldasid seejärel enamiku sellest keeruka andmetöötluse järel. Hiljuti saavutatud edu näitas, et nad suudavad mängukosmoselaevade vahelistes kaugustes tabada pikomeetri suuruseid erinevusi.

Nad on laserkiirte möirgamise sisuliselt vaigistanud nii, et ehitamiseks valituks osutudes suudaks LISA kuulda, kuidas universum vaikselt gravitatsioonilainete viisikest ümiseb.