1. No category

Yleisen suhteellisuusteorian kokeelliset tes/t Hannu Kurki-­‐Suonio Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos 25.11.2015 Yleisen suhteellisuusteorian klassiset tes/t •  Einstein 1916: 1.  Ajan “hidastuminen” ja gravitaaHopunasiirtymä 2.  Valon taipuminen 3.  PlaneeMojen ratojen kiertyminen [A. Einstein: Die Grundlage der allgemeinen RelaHvitätstheorie, Annalen der Physik, 49, 769 (1916)] Planee1ojen ratojen kiertyminen •  Ilmiö tunneXin jo ennen Einsteinia •  Merkuriuksen radan kiertymä: 574 kaarisekunHa vuosisadassa –  Muiden planeeMojen vaikutus seliX 531 kaarisekunHa –  Yleinen suhteellisuusteoria antaa lisäefekHn 42,98 kaarisekunHa •  Nykyään: havaiMu tarkkuudella 1/10 000 •  Ilmiö havaiMu myös Venuksen, Maan ja Marsin radoissa ja kaksoistähdillä "RelaHvisHc precession" by I, KSmrq. Licensed under CC BY-­‐SA 3.0 via Commons -­‐ hMps://commons.wikimedia.org/wiki/File:RelaHvisHc_precession.svg#/media/
File:RelaHvisHc_precession.svg Valon taipuminen •  Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa kaksi kertaa niin suuren valonsäteen taipumisen kuin Newtonin teoria (massalliselle valonnopeudella liikkuvalle kappaleelle) •  Aurinkoa sivuava valonsäde taipuu 1,75 kaarisekunHa •  HavaiXin 1919 auringonpimennyksen aikana •  Nykyään: tarkimmat miMaukset radioaalloilla (Very Long Baseline Interferometry): tarkkuus 3/10 000 (2009) Sobral 1”,98 ± 0”,12 Principe 1”,61 ± 0”,30 [Philosophical TransacHons of the Royal Society 220A, 291 (1920)] Ajan “hidastuminen” •  Vertailemalla esim. kelloja maan pinnalla ja avaruudessa havaitaan avaruudessa olevan kellon “edistävän” •  Ikäänkuin kuin aika kuluisi eri tahHin, syvemmällä “gravitaaHokuopassa” hitaammin •  OikeasH ei kuitenkaan kummassakaan päässä paikallisesH tapahdu mitään: gravitaaHo ei “vaikuta kelloihin” •  Kyse on aika-­‐avaruuden globaalista geometriasta pitempi aika lyhempi aika aika [Wikipedia: GravitaHonal Hme dilaHon] Tästä seuraa gravitaa/opunasiirtymä •  Kun valo matkaa ylöspäin, sen vastaanoMamiseen kuluu pidempi aika kuin läheMämiseen •  Valon taajuus laskee eli aallonpituus kasvaa •  Valo “punasiirtyy” Gravitaa/opunasiirtymä • 
Sirius B:n (valkoinen kääpiö) spektri 1925 [W.S. Adams: The RelaHvity Displacement of the Spectral Lines in the Companion of Sirius, Proc. natn. Acad. Sci. USA, 11, 382 (1925)] kohde huonosH ymmärreMy ja havainnot vaikeita • 
Pound ja Rebka 1959 Jefferson Lab • 
Vessot et al., Phys. Rev. LeM. 45, 2081 (1980) –  Gravity Probe A –  rakeX 10 000 km korkeuteen –  vetymaser –  tarkkuus 70 miljoonasosaa Tutkaviive •  Shapiron 1964 ehdoMama tesH •  Mariner 6 ja 7 -­‐luotaimet Marsiin –  tarkkuus 3% (1975) •  Viking-­‐luotain Marsiin –  tarkkuus 0,2% (1979) •  Cassini-­‐luotain Saturnukseen –  tarkkuus 0,002% (2003) Geodee@nen ilmiö •  Avaruuden kaarevuuden vuoksi matka Maan ympäri on vajaa ympyrä •  Gyroskooppi kiertyy •  Gravity Probe B 2004-­‐05 –  GR ennuste 6,61”/v –  mitaMu 6,60±.02”/v –  tarkkuus 0,3% "GeodeHc effekt" by NASA. Licensed under Public Domain via Commons -­‐ hMps://commons.wikimedia.org/wiki/File:GeodeHc_effekt.jpg#/
media/File:GeodeHc_effekt.jpg Yleisen suhteellisuusteorian modernit tes/t •  Klassiset tesHt aurinkokunnassamme antavat tarkkoja tuloksia –  muMa testaavat vain ns. Schwarzschildin metriikkaa –  staaXnen pallosymmetrinen Hlanne –  ja sitäkin vain heikon gravitaaHon tapauksessa (kaarevuus vähäistä tarkastelualueen kokoon verraMuna) •  Dynaamiset ilmiöt –  massiivisen kappaleen pyöriminen –  gravitaaHoaallot •  Vahvan kentän ilmiöt: kaarevuus tarkastelualueella merkiMävää –  mustat aukot ja neutronitähdet –  kosmologia Pyörivän massan vaikutus •  Pyörivä massa “vääntää” avaruusajan geometriaa pyörimissuuntaan: Lense-­‐Thirring ilmiö eli frame dragging –  vapaasH putoavan kappaleen rata kääntyy tähän suuntaan –  vapaasH putoava gyroskooppi kääntyy Gravity Probe B, laukaisu 2004 Tulos julkaisHin 2011: frame-­‐dragging havaiMu 20% tarkkudella Mustat aukot •  DramaaXsimpia yleisen suhteellisuusteorian ennusteita •  GravitaaHo niin voimakasta, eMä valokaan ei pääse pois •  Paljon epäsuoraa havaintoaineistoa (sopisivat olemaan musHa aukkoja, ei muuta selitystä) –  “tavalliset mustat aukot”: romahtaneita tähHä –  supermassiiviset mustat aukot galaksien keskustoissa: massa vastaa miljoonia tai miljardia tähHä •  GravitaaHoaallot voisivat antaa suoraa havaintoaineistoa –  ovatko nämä objekHt juuri yleisen suhteellisuusteorian mukaisia musHa aukkoja Gravitaa/oaallot •  Yleinen suhteellisuusteria ennustaa gravitaaHoaaltoja –  muutokset aika-­‐avaruuden kaarevuudessa etenevät valonnopeudella •  MerkiMäviä lähteitä: –  kompakHt kaksoistähdet –  supernovaräjähdykset •  Toistaiseksi havaiMu vasta epäsuorasH •  Hulse ja Taylor 1975 –  kaksoisneutronitähH PSR B1913+16 –  kiertorata supistuu: systeemi meneMää energiaa sen verran kun gravitaaHo-­‐ aaltojen pitäisi viedä mukanaan "Gravwav" by I, Mapos. Licensed under CC BY-­‐SA 3.0 via Commons -­‐ hMps://
commons.wikimedia.org/wiki/File:Gravwav.gif#/media/File:Gravwav.gif Gravitaa/oaaltoantennit •  Perustuvat laserinterferometriaan •  LIGO: kaksi observatoriota Yhdysvalloissa –  käynnistyi uudestaan 2015 perusparannuksen jälkeen •  VIRGO: yksi observatorio Italiassa •  Ei vielä havaintoja, muMa realisHsta odoMaa lähiaikoina Odote1avissa olevia gravitaa/oaaltohavaintoja •  Kahden neutronitähden tai mustan aukon törmäys •  Tähden putoaminen supermassiiviseen mustaan aukkoon –  Mustat aukot (gravitaaHo niin voimakasta, eMä valokaan ei pääse pois) ovat dramaaXsimpia yleisen suhteellisuusteorian ennusteita •  Supernovaräjähdys (massiivisen tähden loppu) Kosmologia • 
• 
• 
• 
• 
Maailmankaikkeus laajenee GravitaaHon vaikutuksesta laajenemisen pitäisi hidastua Molemmat ovat yleisen suhteellisuusteorian ennusteita 1990-­‐luvun lopulla havaiXin, eMä laajeneminen kiihtyy !!?? Yksinkertaisin selitys: kosmologinen vakio Λ
Gµν + Λgµν = 8π GTµν
–  vaikutus “repulsiivinen” eli laajenemista kiihdyMävä –  voidaan tulkita tyhjiöenergiana •  Ongelma: Kosmologisen vakion arvo oudon pieni – muita selityksiä: –  tyhjiöenergian sijasta dynaaminen kenMä: “pimeä energia” –  yleisen suhteellisuusteorian perusteellisempi rukkaaminen suurilla skaaloilla Euclid – ESAn seuraava kosmologiasatellii@ •  Laukaisu 2020 •  Laajakulmainen avaruuskaukoputki •  KartoiMaa kuuden vuoden aikana yli kolmasosan taivaasta ja kolme neljäsosaa maailmankaikkeuden historiasta •  MiMaa maailmankaikkeuden laajenemishistorian ja rakenteiden (galaksijoukkojen) kasvun •  TavoiMeena eroMaa, onko kyseessä kosmologinen vakio, pimeä energia, vai gravitaaHolain poikkeama yleisestä suhteellisuusteoriasta •  Fysiikan laitos osallistuu LOPPU