Yleisen suhteellisuusteorian kokeelliset tes/t. Hannu Kurki- Suonio Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Transkriptio

1 Yleisen suhteellisuusteorian kokeelliset tes/t Hannu Kurki- Suonio Helsingin yliopisto, fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

2 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)]

3 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/ 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

4 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/ (2009)

5 Sobral 1,98 ± 0,12 Principe 1,61 ± 0,30 [Philosophical TransacHons of the Royal Society 220A, 291 (1920)]

6 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

7 [Wikipedia: GravitaHonal Hme dilahon]

8 Tästä seuraa gravitaa/opunasiirtymä Kun valo matkaa ylöspäin, sen vastaanomamiseen kuluu pidempi aika kuin lähemämiseen Valon taajuus laskee eli aallonpituus kasvaa Valo punasiirtyy

9 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 km korkeuteen vetymaser tarkkuus 70 miljoonasosaa

10 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) Tutkaviive

11 ilmiö Avaruuden kaarevuuden vuoksi matka Maan ympäri on vajaa ympyrä Gyroskooppi kiertyy Gravity Probe B 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

12 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

13 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

14 Gravity Probe B, laukaisu 2004 Tulos julkaishin 2011: frame- dragging havaimu 20% tarkkudella

15 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

16 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 B 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

17 Gravitaa/oaaltoantennit Perustuvat laserinterferometriaan LIGO: kaksi observatoriota Yhdysvalloissa käynnistyi uudestaan 2015 perusparannuksen jälkeen VIRGO: yksi observatorio Italiassa Ei vielä havaintoja, muma realishsta odomaa lähiaikoina

18 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)

19 Kosmologia Maailmankaikkeus laajenee GravitaaHon vaikutuksesta laajenemisen pitäisi hidastua Molemmat ovat yleisen suhteellisuusteorian ennusteita luvun lopulla havaixin, emä laajeneminen kiihtyy!!?? Yksinkertaisin selitys: kosmologinen vakio Λ G µν + Λg µν = 8πGT µν 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

20 Euclid ESAn seuraava 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

21 LOPPU