Kuidas ennenägematu sündmus astronoomias uue ajastu kaasa tõi
Sügisese Horisondi suur lugu

Illustratsioon kahe musta augu ühinemisele eelnevast spiraaltantsust ja sellega tekkivatest gravitatsioonilainetest.

FOTO: LIGO / P. TYLE

Viimastel aastatel aset leidnud kosmosevaatlused võimaldavad esmakordselt saada kaugel ilmaruumis aset leidvatest sündmustest aimu mitme infokanali vahendusel.

Kui gravitatsioonilaineid siin Maa peal esmakordselt registreeriti, oli nende olemasolu teoreetilisest ennustamisest möödas juba sada aastat. Kaugest kosmosest tulevat gravitatsioonilainet õnnestus esmakordselt kinni püüda laserinterferomeetril LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) 14. septembril 2015. Uudis avalikustati pärast hoolikat andmetöötlust 11. veebruaril 2016. Nõrka gravitatsioonilainet kirjeldavad lineaarsed võrrandid ja nende lihtsaima lahendi oli Albert Einstein avaldanud juba 1916. aastal ajakirjas Annalen der Physik.

Väga lühidalt öeldes: kuna Einsteini üldrelatiivsusteooria järgi on gravitatsioon aegruumi kõveruse ilming, siis nõrku gravitatsioonilaineid võib ette kujutada kui tasases Minkowski aegruumis liikuvaid kõverusesäbrusid. Koos nendega säbrutavad ka aegruumi füüsikalised pikkused ja see omakorda on nähtav interferentsipildis, mis tekib LIGO hiigelsuures interferomeetris seetõttu, et interferomeetri kahe ristuva õla pikkuste vahekord muutub.

Oma esimese vaatlusperioodi jooksul 12. septembrist 2015 kuni 19. jaanuarini 2016 registreeris LIGO kaks kindlat ja ühe kahtlase signaali. Kõigi nende allikaks peeti kahest mustast august koosneva kaksiksüsteemi katastroofilist kokkuvarisemist, mille tulemusel kiiratakse gravitatsioonilaine impulss.

Teise vaatlusperioodi ajal 30. novembrist 2016 kuni 25. augustini 2017 oli LIGO kahe Ameerikas asuva interferomeetriga ühendatud ka Itaalias Pisa lähedal asuv kolmas interferomeeter Virgo. Esialgu teatati neljast signaalist, mis olid tekkinud kahe musta augu ühinemisel. Täiendav andmeanalüüs, mis kestis järgmised poolteist aastat, leidis aga veel kolm sama tüüpi sündmust ja kinnitas ka esimese vaatlusperioodi kahtlase signaali usaldusväärtust. Seega võis 2018. aasta lõpuks kokku lugeda kümme mustade aukude ühinemise sündmust, mille kohta tõid meile teateid gravitatsioonilained.

Lisaks mustade aukude kaksiksüsteemide kokkuvarisemisel kiiratud gravitatsioonilainetele registreeriti aga veel üks erakordne sündmus: kahest neutrontähest koosneva süsteemi kokkuvarisemine. See toimus 17. augustil 2017 ja pikemalt tuleb juhtumist juttu allpool.

FOTO: Horisont

Kolmas vaatlusperiood ja uued reeglid

LIGO-Virgo kolmas vaatlusperiood algas 1. aprillil 2019 ja see peaks kestma ühe aasta. Pika puhkeperioodi jooksul (26. augustist 2017 kuni 31. märtsini 2019) kahekordistati LIGO laserite võimsust, vahetati osa peegleid kvaliteetsemate vastu ja loodi võimalus kasutada nn muljutud valgust, mis lubab paremini eristada signaali mürast. Kokkuvõttes suurenes LIGO tundlikkus 40% võrra. Täiustati ka Virgo interferomeetrit, nii et selle tundlikkus kahekordistus. Seetõttu saab nüüd registreerida gravitatsioonilaineid, mis tekivad kuni 550 miljoni valgusaasta kaugusel; see on 190 miljoni valgusaasta võrra kaugemal kui esimese kahe vaatlusperioodi jooksul.

Juba esimene vaatluskuu tõi kolm võimalikku signaali mustade aukude kaksiksüsteemide kokkuvarisemisest. Paneme tähele, et praegusel vaatlusperioodil on märkimisväärselt muudetud teadusavalikkusega suhtlemise aluseid: kui eelmistel vaatlusperioodidel anti signaalist teada alles pärast põhjalikku, mitmeid kuid kestvat andmetöötlust, mis pidi tagama lõppjärelduse piisavalt suure usaldatavuse, siis nüüd teavitatakse avalikkust kohe, kui andmetes on märgatud midagi lootustandvat. Sellest siis ülaltoodud ettevaatlik hinnang kolme võimaliku mustade aukude ühinemise sündmuse registreerimisest. Kui vaatlusandmete edasine töötlus annab positiivse tulemuse, siis on praeguseks nähtud kokku 13 mustade aukude kaksiksüsteemide kokkuvarisemise sündmust.

Kuid lisaks neile kolmele sündmusele registreeriti veel kaks sündmust, milles vähemalt üks osaline on neutrontäht: tänavu 25. aprillil saabunud gravitatsioonilaine tekitas võib-olla neutrontähtede kaksiksüsteemi kokkuvarisemine ja kohe järgmisel päeval, 26. aprillil toimus võimalikult midagi veel eksootilisemat – kokku varises kaksiksüsteem, mis koosnes mustast august ja neutrontähest.

Neutrontähed kaksiksüsteemides

Neutrontähed on põhiliselt neutronitest koosnevad ülikompaktsed objektid, mille mass võib olla kuni 2,16 Päikese massi, kuid raadius ainult umbes 10 km. Need tekivad siis, kui 10–30-kordse Päikese massiga tähtedes jõuavad tuumareaktsioonid lõppjärku, väljapoole suunatud kiirguste rõhk ei tasakaalusta enam raskusjõudu ning täheaine langeb keskme poole, kuni moodustub ülitihe tuum ja välises kestas olev aine paisatakse supernoovana laiali. Selliste tähtede olemasolu ennustati teoreetiliselt 1930. aastatel, vaatluslikud kinnitused saabusid 30 aastat hiljem. Neutrontähtede nähtav jälg on eripäraste omadustega elektromagnetkiirgus, mida kiirgab tähe ülikuumal pinnal olev või sinna raskusjõu mõjul väga suurel kiirusel langev aine. Pöörlemishulga jäävuse tõttu pöörlevad neutrontähed väga kiiresti ja magnetvoo jäävuse tõttu on neil ülitugev magnetväli. Need asjaolud kokku võivad tekitada elektromagnetkiirguse, mis libiseb kimbuna läbi ruumi, ja kui kimbud juhtuvad tabama Maad, siis registreeritakse siin rangelt perioodilised kiirgusimpulsid. Selliseid tähti nimetatakse pulsariteks ja praeguseks on neid avastatud juba lugematult palju.

Nagu teada, asub suur osa tähtedest mitmiksüsteemides. Nende hulgas moodustavad erilise klassi kaksiksüsteemid, milles üks või mõlemad komponendid on väga kompaktsed – sel juhul võib komponentide vaheline kaugus olla küllalt väike ja nende tiirlemiskiirus ümber ühise massikeskme väga suur. Ülikompaktsete objektide hulka kuuluvad lisaks neutrontähtedele ka mustad augud, mis on tekkinud väga suure massiga tähe gravitatsioonilisel kokkuvarisemisel. Niisuguseid kaksiksüsteeme saab matemaatiliselt kirjeldada Einsteini üldrelatiivsusteooria lineaarse lähenduse võrranditega. Nendest järeldub, et kaksiksüsteem kiirgab nõrku gravitatsioonilaineid, mis vähendavad komponentide tiirlemisenergiat ja seega ka tiirlemisperioodi. Esimene kaksikpulsar PSR 1913+16 avastati 1974. aastal. Kümne aasta vaatlused kinnitasid selle tiirlemisperioodi vähenemist 76,5 mikrosekundit aastas, mis oli täielikus kooskõlas Einsteini teooria valemitega, ning avastajad Russell A. Hulse ja Joseph H. Taylor jr said oma töö eest 1993. aastal Nobeli füüsikapreemia.

Kui kaksiksüsteemi tiirlemisperiood aina väheneb, siis on loomulik oodata, et lõpuks tiirlevad komponendid kokku ja tekib uus objekt, vastavalt süsteemi massile kas neutrontäht või must auk. Kaksikpulsari PSR 1913+16 korral juhtub see alles 300 miljoni aasta järel, sest komponentide vaheline kaugus on praegu suhteliselt suur, üks kuni viis Päikese raadiust vastavalt elliptilise orbiidi perigees ja apogees. Millega aga lõpetavad kaksiksüsteemid, mille komponendid on massiivsemad ja üksteisele lähemal? Mis juhtub nende kokkutiirlemisel ja millised signaalid võiksid jõuda Maale?

Mustade aukude kaksiksüsteemid ja gravitatsioonilained

Must auk on nimi, mis pandi hüpoteetilistele kosmilistele objektidele lähtudes kahest väga erinevast arutlusteest. Esiteks matemaatikast: Einsteini võrrandite lihtsaima staatilise tsentraalsümmeetrilise lahendi arvutas Karl Schwarzschild juba 1916. aastal. Selle iseloomulik omadus on lõkspinna olemasolu, mida saab läbida ainult tsentri suunas ja mitte vastupidi. Teiseks vaatlustest: galaktikate keskmetele väga lähedal olevate tähtede liikumine näitab, et seal peab olema ülitugev gravitatsiooniväli, mille allikas on väga väikeses ruumipiirkonnas. Et need kaks kirjeldust tähistavad tõepoolest üht ja sama kosmilist objekti, sai kinnituse alles käesoleva aasta 10. aprillil, kui teatati, et sündmuste horisondi teleskoobiks kutsutud raadioteleskoopide süsteemi kaks aastat tagasi tehtud vaatluste andmetöötlus on andnud tulemuseks pildi, mis on kooskõlas Schwarzschildi lahendist arvutatud valguskiirte trajektooridega ja näitab musta augu tumedat keskosa, kust valgus välja ei pääse, ümbritsetuna musta auku langeva aine heledast kiirgusest.

Gravitatsiooniteoreetikud on aga juba ammu võtnud Schwarzschildi lahendit ehk musti auke tõsiselt ja arvutanud nende kõikvõimalikke käitumisviise. Muu hulgas hakati umbes 30 aastat tagasi uurima kahe musta augu kokkupõrget kirjeldavaid lahendeid. Kuna Einsteini võrrandid on tugevasti mittelineaarsed, siis analüütilisi, valemitega kirjeldatud lahendeid pole lootustki leida. Küll aga saab võrrandeid integreerida arvutite abil, numbriliselt, ja saada mitmesuguseid graafikuid. Puuduseks on siin asjaolu, et musti auke iseloomustavad parameetrid – massid ja kaugused – tuleb igas arvutuses ette anda, ehk iga mõistlik mudel tuleb arvutada eraldi. Kuna mustade aukude kokkupõrge on kindlasti seotud gravitatsioonivälja suurte ja kiirete muutustega, siis kirjeldavad mudelarvutused mitte ainult aegruumi enda arengut, vaid ka gravitatsioonilainete impulsi teket ja signaali kuju. Kui 2015. aastal registreeris gravitatsioonilainete detektor LIGO esmakordselt gravitatsioonilainete impulsi, leiti mudelarvutuste kataloogist kiiresti sobiv mudel ja gravitatsioonilainete allikaks kuulutati vastavate parameetritega mustade aukude kaksiksüsteemi kokkutiirlemine. Nagu öeldud, on praeguseks registreeritud juba 13 gravitatsioonilainete impulssi, mis on väidetavalt tekkinud mustade aukude kaksiksüsteemide kokkuvarisemisel.

Neutrontähtede kaksiksüsteemi kokkuvarisemine

Arvutuste kohaselt on gravitatsioonilaine impulsi energia võrdeline kokkuvariseva kaksiksüsteemi massiga, seega on neutrontähtede ühinemisel kiiratud gravitatsioonilaine palju nõrgem kui mustade aukude kaksiksüsteemi puhul. Seetõttu oli väga üllatav, et 2017. aasta 17. augustil registreeritud gravitatsioonilainete impulsi profiil näitas, et kokkusulanud objektide mass oli tunduvalt väiksem kui seni registreeritud sündmuste puhul, just neutrontähtede massi suurusjärgus. Sündmus ise toimus palju lähemal mustade aukude sündmustest, mistõttu signaal, kuigi tekkimisel nõrgem, siiski ületas gravitatsioonidetektori tundlikkuse läve. Kuna neutrontähed on ka elektromagnetkiirguse allikad, siis pöörati tavateleskoobid kiiresti suunda, kust tuli gravitatsioonilaine. Lähemalt hakati uurima ka nende tavateleskoopide andmemassiive, mis on pidevalt vaatlusrežiimis, et tabada lühiajalisi impulsse. Ja tõepoolest leiti umbes 2 sekundi pikkune gammakiirte sähvatus, kiiratud gravitatsioonilainete tekkekohas 1,7 sekundit hiljem. Siinkohal pole ruumi lähemalt rääkida ei kasutatud vaatlusriistadest ega ka andmetöötlusest, sest mõlemad on lausa omaette teadusharud. Lisada võib ainult, et lähtudes neutrontähtede teoreetilistest mudelitest osati üsna täpselt ära seletada, miks tekkis gammakiirte signaal just 1,7 sekundit hiljem võrreldes gravitatsioonikiirgusega.

Seda sündmust on nimetatud paljukanalilise astronoomia sünniks: ühest ja samast sündmusest on teavet andnud kaks täiesti erinevat liiki kiirgust, gravitatsiooniline ja elektromagnetiline. Lisaks neile kahele võib edaspidi lisanduda veel täiendavaid kanaleid, nagu neutriinod, mida selle sündmuse korral ei nähtud, kosmilise kiirguse osakesed jms. Kõik see teeb uurimistöö keerulisemaks, kuid tulemused on kindlasti teaberikkamad ja usaldusväärsemad.

FOTO: Horisont

LIGO-Virgo kolmanda vaatlusperioodi alguskuu, aprill 2019

Nagu juba nimetatud, oli LIGO-Virgo kolmanda vaatlusperioodi esimene kuu väga huvitav – leiti koguni viis lähemat uurimist vajavat sündmust. Neist kolme päritoluks hinnati mustade aukude kaksiksüsteemid ja üks paistab olevat tekkinud neutrontähtede kaksiksüsteemi kokkuvarisemisel. Kahjuks ei olnud üks kahest LIGO interferomeetrist sel ajal töökorras ning signaali registreerisid ainult Virgo ja LIGO üks interferomeeter. Kahe detektori andmete põhjal aga jääb signaali tuleku koht taevasfääril laias laastus määramatuks. Seetõttu ei saa otsida kaasnevat elektromagnetilist signaali.

Kuid neutrontähtede kokkutiirlemise sündmuste arvu kahekordistumine – enne oli teada üksainuke, nüüd aga võib-olla kaks juhtumit – innustas teadlasi neid tõsiselt võtma ning otsima muidki märke nende olemasolust. Oktoobris 2018 teatati, et 1. jaanuaril 2015 registreeritud gammasähvatuse omadused on väga lähedased 17. augustil 2017 registreeritud gammasähvatuse omadustele, sarnast tüüpi on ka galaktikad, milles kiirgusallikad asuvad. Järeldati, et ka too varasem gammasähvatus võib olla kiiratud neutrontähtede kaksiksüsteemi kokkuvarisemisel, olgugi et kaasnevaid gravitatsioonilaineid ei registreeritud, sest LIGO ei olnud veel valmis.

Täiesti uut tüüpi kaksiksüsteemi avastamist võib kuulutada tänavu 26. aprillil registreeritud gravitatsioonilainete impulss, sest süsteemi objektide masse hinnates leiti, et enne kokkupõrget pidid ühise massikeskme ümber tiirlema neutrontäht ja must auk. Tormilist ühinemisprotsessi kirjeldatakse ka kui neutrontähe allaneelamist musta augu poolt. Seekord töötasid kõik kolm interferomeetrit, nii et kiirguse allika asukohta taevasfääril sai umbkaudu määrata. Siiski ei ole tulnud teateid kaasnevast elektromagnetkiirgusest või neutriinodest.

Valgega on piiritletud tänavu 26. aprillil tabatud gravitatsioonilaine päritolupiirkond.

FOTO: LIGO / VIRGO / NASA / LEO SINGER

Teoreetiliselt oli mustast august ja neutrontähest koosnevaid kaksiksüsteeme juba varem kirjeldatud, kuid nüüd on võimalus teooriat kinnitada vaatlustega. Ometi on enne kindlamate tulemuste esitamist vaja teha veel palju tööd nii vaatluste ja andmetöötluse alal kui ka teoreetiliste mudelite konstrueerimisel. Kuigi, jah, täieliku tõsikindluseni ei jõua teadus ju mitte kunagi.

Piret Kuusk (1947) on Tartu ülikooli füüsika instituudi teoreetilise füüsika labori https://www.loodusajakiri.ee/valjaanded/horisont/vanemteadur. Teadustöös on käsitlenud gravitatsiooniteooriat, kosmoloogiat, stringiteooriat ning aja ja kvantmehaanika filosoofilis-metodoloogilisi probleeme.

Artikkel ilmus algselt populaarteadusliku ajakirja Horisont septembri-novembri numbris.

Tagasi üles