Millaisia gravitaatioaallot ovat lähellä suurten mustien aukkojen törmäystä? Esimerkiksi muutaman valovuoden tai muutaman sadan valovuoden päässä tapahtumapaikasta. Onko se tsunamin kaltainen katastrofi vai miten aika-avaruus käyttäytyy, kun välimatka ei ole miljardi valovuotta?

Astrofysiikan professori Peter Johansson, Helsingin yliopisto:

Gravitaatioaaltoja syntyy aina, kun mikä tahansa massiivinen kappale on epäsymmetrisessä kiihtyvässä liikkeessä. Käytännössä gravitaatioaaltoja voidaan havaita vain, kun hyvin massiiviset kappaleet liikkuvat nopeudella, joka on huomattavan suuri verrattuna valonnopeuteen. 

Toistaiseksi olemme onnistuneet havaitsemaan suoraan gravitaatioaaltoja tähtien massaisten mustien aukkojen (tyypilliset massat joitakin kymmeniä Auringon massoja) ja neutronitähtien (tyypilliset massat 1,5–2 Auringon massaa) välisistä törmäyksistä. 

Yhdysvaltalaisen LIGO-observatorion kuuluisassa ensimmäisessä havainnossa vuonna 2015 kaksi mustaa aukkoa, joiden massat olivat noin 36 ja 30 Auringon massaa, yhdistyivät ja tässä prosessissa syntyi uusi musta aukko, jonka massa on noin 63 Auringon massaa. Puuttuvat kolme Auringon massaa muuttuivat gravitaatioaalloiksi noin sekunnin viidesosan aikana. 

Kun gravitaatioaalto kulkee kappaleen läpi, se pyrkii venyttämään sitä yhteen suuntaan ja samanaikaisesti puristamaan sitä kasaan venymistä vastaan kohtisuorassa suunnassa. 

Tämä LIGOn havaitsema kohde sijaitsi noin 1,3 miljardin valovuoden etäisyydellä. Suhteellinen havaittu gravitaatioaallon aiheuttama venymä maapallolla oli vain tuhannestriljoonasosan verran. Tämä on hyvin pieni luku, jossa on 20 nollaa pilkun jälkeen. Gravitaatioaallon havaittu taajuus juuri ennen törmäystä oli noin 250 hertsiä. 

Gravitaatioaallon havaittu maksimikorkeus eli amplitudi on suoraan verrannollinen etäisyyteen. Eli mikäli olisimme olleet noin yhden valovuoden etäisyydellä tapahtumapaikasta, havaittu suhteellinen venymä olisi ollut noin miljardi kertaa suurempi (eli biljoonasosa). Jos mustien aukkojen törmäys olisi tapahtunut Auringon etäisyydellä maapallosta, olisi suhteellinen venymä ollut jo noin yksi osa kymmenestä miljoonasta. 

Jos oletetaan, että törmäys olisi tapahtunut Auringon etäisyydellä olisi energiavuo ollut käsittämättömän suuri, noin kymmenen kvadriljoonaa wattia neliömetriä kohti. Energiavuo on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön, eli yhden valovuoden etäisyydellä se olisi ”enää” noin kymmenen tuhatta biljoonaa wattia neliömetriä kohti. 

Valtavasta energiavuosta huolimatta vaikutus ihmiseen olisi varsin mitätön. Eli mikäli mustat aukot törmäisivät Auringon etäisyydellä, metrin etäisyydellä olevien hiukkasten etäisyys muuttuisi millimetrin kymmenestuhannesosan ja yhden valovuoden etäisyydellä enää millimetrin miljardisosan. 

Isommassa kappaleessa vaikutukset olisivat selvemmät, esimerkiksi maapallon säde on noin 6370 kilometriä, josta kymmenesmiljoonaosa on reilu puoli metriä, kun taas yhden valovuoden etäisyydellä maapallon suhteellinen venymä olisi enää kuuden mikrometrin luokkaa. Puolen metrin venymällä olisi kyllä havaittavia vaikutuksia maapallolla etenkin, kun venyminen ja vastaavasti puristuminen tapahtuisi 250 kertaa sekunnissa. 

Sattumoisin Kuun aiheuttama vuorovesi-ilmiö nostaa ja laskee maankuorta kaksi kertaa päivässä noin 30–40 senttimetriä. Erona olisi nyt, että sama tapahtuisi 250 kertaa sekunnissa, mikä johtaisi todennäköisesti mittaviin seismisiin häiriöihin, eli maanjäristyksiin ja hyökyaaltoihin. 

Yhden valovuoden päässä vastaavia ilmiöitä tuskin ilmenisi, koska suhteellinen venymä maapallon kokoisessa kappaleessa olisi vain mikrometrien luokkaa. Käytännössä mustien aukkojen ympärillä oleva kuuma kaasu ja sen aiheuttama säteily on paljon suurempi vaara kuin verrattain heikot gravitaatioaallot, jotka suuresta energiamäärästä huolimatta aiheuttavat varsin vähäistä tuhoa. 

Maailmankaikkeudessa on myös olemassa supermassiivisia mustia aukkoja, joiden massat ovat miljoonia tai jopa useita miljardeja kertoja suurempia kuin Auringon. Kun tällaiset mustat aukot törmäävät, gravitaatioaaltojen amplitudit eli suhteelliset venymät ovat miljoonia tai miljardeja kertoja suurempia. Vastaavasti gravitaatioaaltojen taajuudet ovat miljoonia tai miljardeja kertoja pienempiä nyt havaittuihin gravitaatioaaltoihin verrattuna. 

Tällaisia gravitaatioaaltoja ei voi havaita suoraan maapallolta, vaan havainnot pitää suorittaa avaruudesta esimerkiksi Euroopan avaruusjärjestön LISA-satelliitin avulla, joka on tarkoitus laukaista avaruuteen 2030-luvulla.     

Astrofysiikan professori Peter Johansson tutkii tällä hetkellä Suomen Akatemian rahoituksella supermassiivisten mustien aukkojen roolia massiivisten galaksien kosmologisessa muodostumisessa. Hänen alaansa on erityisesti galaksien synnyn ja kehityksen numeerinen mallintaminen.

Kuva: Mostphotos