Kysymyksessä Mitä eroa on suppealla ja yleisellä suhteellisuusteorialla?  opimme, että yleinen suhteellisuusteoria tiivistyy Einsteinin kenttäyhtälöihin. Kenttäyhtälöt ilmaisevat, miten massa ja energia kaareuttavat aika-avaruutta ja miten kappaleet avaruudessa liikkuvat. Pian kenttäyhtälöiden julkaisemisen jälkeen, 1900-luvun alkupuolella, saksalainen fyysikko Karl Schwarzschild löysi niille yhden ratkaisun. Tämä ratkaisu kuvaa gravitaatiokenttää hyvin pienen pallomaisen kappaleen ympärillä.

Schwatzschildin ratkaisusta pääteltiin, että maailmankaikkeudessa voisi olla erittäin massiivisia kappaleita, joiden painovoimakenttä on todella voimakas — jopa niin voimakas, etteivät edes massattomat fotonit pääsisi siitä pakenemaan. Koska tällaiset kappaleet eivät siis säteile valoa, ne näyttävän ulkopuolisen havaitsijan silmin mustilta. Niinpä ne nimettiin mustiksi aukoiksi. Tuossa vaiheessa löydös oli kuitenkin vielä täysin teoreettinen, eikä mustien aukkojen olemassaolosta ollut varmaa tietoa.

Onko musta aukko siis avaruudessa oleva jättimäinen reikä?

Termi "aukko" saattaa hämätä monia. Oikeastihan kyseessä ei ole minkäänlainen aukko tai reikä, vaan pallomainen, kolmiulotteinen massiivinen kappale. Musta aukko ei siis ole pohjaton tai pohjallinen reikä avaruudessa, eikä sinne voi pudota samalla tavalla kuin vaikkapa kaivoon. Mustat aukot eivät myöskään aina ole jättimäisiä, vaan niitä löytyy kaikissa kokoluokissa.

Kysymyksessä Mitä eroa on suppealla ja yleisellä suhteellisuusteorialla? avaruutta verrattiin elastiseen kalvoon, johon massalliset kappaleet painavat kuoppia. Tällaiseen kalvoon musta aukko aiheuttaisi äärettömän syvän kuopan — sen gravitaatiokenttä siis kaareuttaa avaruutta äärettömän paljon. Jos siis tarkastellaan gravitaatiota, voidaan mustaa aukkoa ajatella eräänlaisena aukkona, mutta fyysisesti se ei sellainen ole.

Kuva 1. Jos avaruutta ajatellaan laajana, joustavana kalvona, voidaan massallisten kappaleiden ajatella aiheuttavan siihen kuoppia. Kuopan syvyys riippuu kappaleen painovoimasta. Maan ja Auringon painovoimat ovat pieniä verrattuna mustaan aukkoon, jonka gravitaatiokenttä kaareuttaa avaruutta äärettömästi eli aiheuttaa kuvitteelliseen kalvoon äärettömän syvän kuopan.

Millainen musta aukko on rakenteeltaan?

Yksinkertaisimmillaan musta aukko on siis pallosymmetrinen kappale. Mustan aukon "kuorta" kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Se on raja, jonka ylitettyään säteily tai materia ei enää pääse pois mustan aukon painovoimakentästä, vaan lähestyy mustan aukon keskipistettä. Mustan aukon painovoima on niin suuri, että pakonopeuden olisi oltava valonnopeutta suurempi — siksi valokaan siis ei voi poistua mustasta aukosta. Pakonopeudella tarkoitetaan sitä nopeutta, joka kappaleella on vähintään oltava, jotta se pääsee irrottautumaan toisen kappaleen painovoimakentästä. Esimerkiksi Maan pakonopeus on 11,2 km/s.

Tapahtumahorisontin ympärille on kerääntynyt materiaa, joka kiertää mustaa aukkoa. Tätä kutsutaan kertymäkiekoksi. Kertymäkiekon materia lähestyy mustaa aukkoa jatkuvasti lopulta ylittäen tapahtumahorisontin ja päätyen mustan aukon keskipisteeseen. Lähestyessään tapahtumahorisonttia materia lämpenee ja lähettää voimakkaasti röntgensäteilyä, joka voidaan havaita Maassa asti. 

Mustan aukon keskipisteen on päätelty olevan pistemäinen, valtavan tiheä massakeskittymä. Koska keskipisteen tiheys on ääretön, ei sitä voida kuvailla tunnettujen fysiikan lakien avulla. Tällaista pistemäistä tilaa kutsutaan singulariteetiksi. Todellisuudessa singulariteetti ei tosin liene täysin pistemäinen, mutta sen tarkemmasta rakenteesta emme vielä osaa sanoa mitään, koska kuvailuun tarvittavaa kvanttigravitaation teoriaa meillä ei vielä ole.

Keskipisteen ja tapahtumahorisontin välistä matkaa kutsutaan Schwarzschildin säteeksi. Säde voidaan laskea yhtälöstä

missä $M$ on mustan aukon massa, $G$ Newtonin gravitaatiovakio ja $c$ valonnopeus. Mille tahansa kappaleelle, myös sinulle, voidaan laskea Schwarzschildin säde ja päätellä siitä, minkä kokoinen kappale olisi mustana aukkona. Mitä suurempi kappaleen massa on, sitä suurempi se on mustana aukkona. Maan massa vastaisi 9 millimetrin ja Auringon massa vajaan kolmen kilometrin säteistä mustaa aukkoa.

Kuva 2. Mustan aukon rakenne. Keskipisteessä on singulariteetti ja uloimpana tapahtumahorisontti. Keskipisteen ja tapahtumahorisontin välistä etäisyyttä kutsutaan Schwarzschildin säteeksi. 

Miltä musta aukko näyttää, sysimustalta lätyskältäkö?

Itse mustaa aukkoa ei voi suoraan nähdä, mutta havaitseminen on mahdollista kertymäkiekon lähettämän säteilyn ansiosta. Tämä säteily ei kuitenkaan ole yksinomaan näkyvää valoa, vaan enimmäkseen röntgensäteilyä. Myös mustan aukon kanssa vuorovaikuttavat tähdet saattavat paljastaa sen olemassaolon. Usein mustia aukkoja etsitäänkin kaksoistähtijärjestelmistä, joiden toista osapuolta ei näy, mutta se säteilee röntgensäteilyä.

Vuonna 2019 saatiin muodostettua ensimmäinen oikea kuva mustasta aukosta. Kuvassa näkyy kertymäkiekon aiheuttamaa säteilyä. Se ei kuitenkaan varsinaisesti ole valokuva, koska näkyvän valon sijaan sen muodostamisessa hyödynnettiin korkeataajuisia radioaaltoja. Kuvan värit kuvaavat säteilyn voimakkuutta: vaaleilla alueilla säteily on voimakkaimmillaan ja tummilla alueilla sitä ei juurikaan ole.

Kuva 3. Event Horizon -virtuaaliteleskoopin muodostama kuva mustasta aukosta, joka sijaitsee M87-galaksin keskellä ja jonka massa vastaa miljardia aurinkoa. Vaaleilla alueilla kertymäkiekon lähettämä säteily on voimakkaimmillaan. Musta aukko näkyy varjona vaaleamman, punertavan säteilyalueen keskellä (Wikipedia).

Tieteiselokuvissa ja -sarjoissa mustista aukoista on nähty jos jonkinlaisia taiteilijoiden näkemyksiä. Esimerkiksi elokuvassa Interstellar nähtävä musta aukko on luotu simulaatiolla, jota fyysikot käyttävät mustien aukkojen mallintamiseen. Mustan aukon visualisoimisesta vastasi 30-henkinen työryhmä, jossa oli mukana myös suhteellisuusteoriaan ja kosmologiaan perehtynyt huippufyysikko. Tehtävä ei ollut helppo tai yksinkertainen: ryhmä paiski töitä mustan aukon visualisoinnin eteen kokonaisen vuoden. Viihteen lisäksi vuoden aikana tehtiin myös merkittävää tiedettä, sillä yhtä tarkkaa simulaatiota mustan aukon kertymäkiekosta ei oltu aiemmin tehty.

Kuva 4. Simulaatio Linnunradan keskellä sijaitsevasta mustasta aukosta nimeltä Sagittarius A* (Wikimedia commons).

Mitä sitten tapahtuu, jos päätyy mustaan aukkoon?

Tarkastellaanpa tätä yhdessä Isan ja Unon kanssa. Isa, Uno ja astronautti ovat matkustaneet S62-tähdelle, josta he näkevät kaukana Linnunradan keskellä olevan Sagittarius A* -nimisen mustan aukon, tai oikeastaan sen reunat. He ovat laskeneet, että aukon tapahtumahoristontin ja S62-tähden välinen etäisyys on 2400 miljoonaa kilometriä. Astronautti lähtee raketilla kohti mustaa aukkoa nopeudella 10 000 km/s. Isa ja Uno laskevat, että raketti saavuttaa tapahtumahorisontin 66,7 tunnin eli vajaan kolmen vuorokauden kuluttua. He sopivat astronautin kanssa, että hän lähettäisi valosignaalin Isaa ja Unoa kohti kymmenen sekunnin välein, koko matkan ajan. Isa ja Uno sekä astronautti lupaavat tarkkailla toisiaan supertehokkaiden kaukoputkien avulla.

Kuva 5. Astronautti lähtee Isan ja Unon luota kohti mustaa aukkoa. 

Raketti astronautteineen lähtee matkaan. Tähdelle jääneet Isa ja Uno katselevat kaukoputkella raketin menoa kaksi vuorokautta, kunnes raketti on jo lähellä tapahtumahorisonttia, jolloin sen nopeus näyttää hidastuvan. Astronautin lähettämien valosignaalien valo alkaa punertaa ja niiden välinen aikakin pitenee. Lopulta signaalit vaikuttavat lakkaavan kokonaan.

Menikö koe nyt pieleen?

Ei, mikään ei ole mennyt pieleen. Tältä tilanne näyttää silloin, kun raketin etäisyys mustan aukon keskipisteestä on Schwarzschildin säteen verran, eli raketti on tapahtumahorisontissa. Kuten aiemmin todettiin, mustan aukon painovoima on valtava. Mitä lähemmäs mustaa aukkoa raketti pääsee, sitä enemmän painovoima siihen vaikuttaa: aika lähellä mustaa aukkoa on hidastunut suhteessa aikaan kaukana avaruudessa. Raketin lähestyessä mustaa aukkoa se alkaa vetää sekä rakettia että sen lähettämää valoa voimakkaammin puoleensa. Isan ja Unon mielestä raketti näyttää jumiutuvan horistonttiin. Painovoiman vaikutuksesta astronautin lähettämien valosignaalien aallonpituus venyy, jolloin Isa ja Uno näkevät ne punaisempina. Mustan aukon painovoima aiheuttaa myös aikadilaation, minkä takia raketin aika kulkee Isan ja Unon mielestä hitaammin ja valosignaalien välinen aika pitenee pitenemistään.

Kuva 6. Astronautti lähettää raketista vihreän värisiä valosignaaleja 10 s välein, mutta Isa ja Uno vastaanottavat koko ajan punaisemman sävyisiä valosignaaleja, joiden saapumisen väliset ajat pitenevät pitenemistään mitä lähemmäksi raketti pääsee mustaa aukkoa (kuvassa Isan ja Unon vastaanottamien signaalien väliajat on esitetty numeerisesti vain konkreettisuuden vuoksi). 

Astronautin mielestä matka on puolestaan sujunut aivan suunnitelmien mukaan. Hän on lähettänyt valosignaaleja Isalle ja Unolle kymmenen sekunnin välein, aivan kuten oli sovittu. Astronautti on myös jo ylittänyt tapahtumahorisontin, mutta koska horisontin raja ei ole mitenkään näkyvä, ei hän ole itse huomannut ylitystä. Katsoessaan Isaa ja Unoa kaukoputkellaan astronautti huomaa heidän ympäristöineen liikkuvan kuin pikakelauksella — astronautin näkökulmasta Isan ja Unon aika kuluu siis nopeammin. Tästä havainnosta astronautti pystyy päättelemään lähestyvänsä tapahtumahorisonttia.

Mitä astronautille tapahtuu tapahtumahorisontin ylittämisen jälkeen?

Se onkin oikeastaan osittain mysteeri. Koska painovoiman takia informaatio ei kulje mustasta aukosta pois, ei ole tarkkaa tietoa siitä, mitä tapahtumahorisontin takana tapahtuu. On kuitenkin arveltu, että todella suuri painovoima alkaa vähitellen hajottaa kappaleita. Painovoima kasvaa nopeasti mustan aukon keskipistettä lähestyessä, joten astronautin raketin kärki kokee suuremman painovoiman kuin sen takaosa. Tämän takia astronautti ja raketti alkavat luultavasti venyä ja hajota osiin muuttuen lopulta pelkäksi massaksi, joka sulautuu mustan aukon keskustaan. Tätä kutsutaan spagettifikaatioksi, koska venymisen lopputulos luultavasti näyttäisi spagettimaiselta.

Kuulostaa aika kurjalta kohtalolta. Onko minun mahdollista joutua mustan aukon nappaamaksi?

Ei ole, ellet itse hakeudu mustan aukon lähettyville. Kaikki, mikä päätyy tarpeeksi lähelle mustaa aukkoa, päätyy kyllä lopulta sen keskipisteeseen. Musta aukko ei kuitenkaan kierrä "saalistamassa", vaan kappaleiden on itse liikuttava riittävän lähelle sitä. Mistään ei siis voi yhtäkkiä ilmestyä mustaa aukkoa, joka imaisisi Maan ja sinut tapahtumahorisonttinsa taakse. 

Huh. Mistä mustia aukkoja sitten tulee, eli miten ne saavat alkunsa?

Mustia aukkoja voi syntyä muutamalla eri tavalla. Kun massiivinen tähti tulee elinkaarensa päähän ja siinä tapahtuvat ydinreaktiot päättyvät, sitä kasassa pitävä säteilypaine lakkaa ja se voi luhistua kasaan oman painovoimansa vaikutuksesta. Tällainen tähden kuolema voidaan havaita supernovana ja sen seurauksena tähti muuttuu massastaan riippuen joko neutronitähdeksi (pienemmät massiiviset tähdet) tai mustaksi aukoksi (suuremmat massiiviset tähdet). Tällä hetkellä tunnettujen, tällaista alkuperää olevien mustien aukkojen massat ovat 3-20 kertaisia Auringon massaan nähden. Massa voidaan arvioida tarkastelemalla mustaa aukkoa kiertävien kappaleiden nopeutta.

Kuva 7. Taiteilijan näkemys supernovasta.

Supermassiiviset mustat aukot ovat syntyneet, kun raskaat kaasupilvet ovat romahtaneet kasaan. Myös tähden kuoleman kautta syntyneestä mustasta aukosta voi tulla supermassiivinen, kun se vähitellen kerryttää massaansa painovoiman vetäessä kappaleita sen keskipisteeseen. Jokaisen suuren galaksin keskellä uskotaan olevan supermassiivinen musta aukko, jota galaksiin kuuluvat kappaleet kiertävät. Supermassiivisten mustien aukkojen massa vaihtelee sadasta tuhannesta miljardiin Auringon massaan.

On myös mahdollista, että mustia aukkoja on syntynyt jo alkuräjähdyksessä. Suurimmat tällaisista mustista aukoista saattaisivat edelleen olla olemassa, mutta pienimmät olisivat ehtineet jo "höyrystyä" pois. Tähän höyrystymiseen palaamme myöhemmin. Alkuräjähdyksessä syntyneitä mustia aukkoja ei ole havaittu kokeellisesti, joten niiden massoja voidaan arvioida vain teoriatiedon pohjalta.

Voiko Auringosta tulla musta aukko? Mitä silloin tapahtuisi?

Paljastan heti kättelyssä, että Aurinko on liian kevyt muuttuakseen mustaksi aukoksi. Jos niin pääsisi kuitenkin käymään, huomaisimme sen noin kahdeksan minuutin kuluttua tapahtuneesta. Auringon muuttuminen mustaksi aukoksi ei kuitenkaan vaikuttaisi mitenkään planeettojen kiertoratoihin tai sijainteihin, sillä Auringon massa ei muuttuisi. Planeetathan eivät tunnista, minkä ympärillä ne kiertävät, vaan niihin vaikuttaa pelkästään kiertämänsä kohteen aiheuttama avaruuden kaareutuminen. Periaatteessa ei siis ole merkitystä, kierrämmekö Aurinkoa vai saman massaista mustaa aukkoa. Tietenkään Aurinko ei enää mustana aukkona säteilisi lämpöä ja valoa, joten sen osalta olosuhteet muuttuisivat.

Mitä mustille aukoille sitten tapahtuu? Ovatko ne ikuisia vai voivatko ne "kuolla"?

Mustien aukkojen kohtaloon liittyy vielä joitakin mysteereitä. Mitä mustan aukon keskipisteeseen joutuneelle säteilylle ja aineelle tapahtuu, jos musta aukko häviää? Millaista säteily ja materia silloin on? Tätä informaatioparadoksia selittämään on kehitetty useita teorioita, mutta täydellistä selitystä ei ole vielä keksitty. Ratkaisu olisi ehkä mahdollista löytää kvanttigravitaatioteorian avulla. Teoria yhdistäisi kvanttimekaniikan ja painovoiman toisiinsa, mutta useista yrityksistä huolimatta sitä ei ole vielä onnistuttu kehittämään. Jotkut uskovat, että kvanttigravitaatioteoria tulisi selittämään kaikki luonnonilmiöt.

Tutkiessaan informaatioparadoksia fyysikko Stephen Hawking ehdotti, että mustat aukot säteilisivät niin sanottua Hawkingin säteilyä. Näin mustien aukkojen sisältämä informaatio ei häviäisi, vaan säteilisi ympäristöön. Tämän säteilyn ansiosta musta aukko menettäisi energiaansa vähitellen. Toisin kuin muiden energiaa menettävien kappaleiden, mustan aukon lämpötila nousee sen säteillessä. "Höyrystymisen" seurauksena musta aukko menettäisi myös massaansa aiemmin tällä kurssilla käsitellyn yhtälön $E = mc^2$ mukaisesti. Lopulta musta aukko hajoaisi. Hawkingin säteilyn olemassaoloa ei ainakaan vielä ole osoitettu kokeellisesti.

Entä jos kaksi mustaa aukkoa törmäävät toisiinsa? Tuhoutuvatko ne vai syntyykö uusi, suurempi musta aukko?

Kahden mustan aukon törmätessä ne sulautuvat yhdeksi uudeksi, isoksi mustaksi aukoksi. Tämän mustan aukon massa ei kuitenkaan ole yhtä suuri kuin alkuperäisten mustien aukkojen massojen summa, vaan hieman pienempi, koska yhdistyessään osa niiden massoista muuttuu energiaksi. Kiertymäkiekkojen ainetta lukuunottamatta mustien aukkojen yhdistyminen ei aiheuta sähkömagneettista säteilyä, kuten näkyvää valoa tai röntgensäteilyä.

Miten yhdistymisen sitten voi havaita, vai voiko mitenkään?

Kun kaksi todella massiivista kappaletta, kuten mustaa aukkoa, ovat lähekkäin, ne alkavat gravitaation vaikutuksesta kiertää ja hiljalleen lähestyä toisiaan. Kiertäminen saa aika-avaruuden aaltoilemaan. Aallot liikkuvat kappaleista poispäin ja heikentyvät — aivan kuten aallot vedessä silloin, kun pudotat pienen kiven veteen. Tätä aika-avaruuden aaltoilua kutsutaan gravitaatioaalloiksi. Kaksi toisiaan kiertävää mustaa aukkoa siis säteilevät energiaa gravitaatioaaltojen muodossa, mikä selittää sen, että niiden muodostaman uuden mustan aukon massa on pienempi kuin alkuperäisten massojen summa. Aivan kuten gravitaatioaaltojen olemassaolo, myös tämä energian menetys on suhteellisuusteorian ennustama.

Kuva 8. Kun kaksi massiivista kappaletta kiertävät toisiaan, syntyy gravitaatioaaltoja (Wikimedia commons).

 Eikö gravitaatioaaltoja synny ollenkaan esimerkiksi Maan kiertäessä Aurinkoa?

Gravitaatioaaltoja syntyy aina, kun massallinen kappale on kiihtyvässä liikkeessä. Maan ja Auringon massat ovat kuitenkin niin pienet, että niiden muodostamien gravitaatioaaltojen koko on hyvin pieni. Esimerkiksi Jupiter-Aurinko -systeemin lähettämien gravitaatioaaltojen kokonaisteho on ainoastaan muutaman kilowatin luokkaa. Ainoastaan todella (!) massiivisten kappaleiden aiheuttamat gravitaatioaallot ovat niin suuria, että ne voidaan havaita nykyisillä mittalaitteilla, vaikka sekin on hankalaa.  

Mustien aukkojen törmäämisen lisäksi havaittavan kokoisia gravitaatioaaltoja syntyy esimerkiksi silloin, kun kaksi neutronitähteä törmäävät samaan tapaan kuin mustat aukot. Neutronitähdet muodostuvat nimensä mukaan pääosin neutroneista, ja mustien aukkojen tapaan nekin ovat todella tiheitä — yksi teelusikallinen neutronitähteä on massaltaan $6 \cdot 10^{12}$ kg. Neutronitähti syntyy, kun alle muutaman Auringon massainen tähti luhistuu kasaan (sitä suuremmat tähdet luhistuvat mustiksi aukoiksi). Neutronitähdet ovat tyypillisesti melko pieniä, sillä niiden halkaisija on vain parinkymmenen kilometrin luokkaa tai jopa vähemmän. Toisin kuin mustat aukot, neutronitähdet säteilevät törmätessään myös näkyvää valoa, radioaaltoja, röntgensäteilyä ja gammasäteilyä. Myös yksittäinen neutronitähti voi akselinsa ympäri pyöriessään aiheuttaa gravitaatioaaltoja, jos sen pinnassa on jokin epätasaisuus. Mustat aukot eivät kuitenkaan muodosta gravitaatioaaltoja yksinään, sillä painovoiman ansiosta niiden pinta on tasainen.

Miten gravitaatioaaltoja voidaan havaita?

Tehdään ensin pieni ajatusleikki. Kuvittele, että istut veneessä järvellä. Veden pinta on aivan peilityyni. Vähän matkan päässä ohitsesi ajaa moottorivene, joka saa veden aaltoilemaan. Pian aallot saavuttavat sinut ja keinuttavat venettäsi. Olet näin havainnut moottoriveneet aiheuttamat aallot tuntemalla veneesi keinuvan. 

Kuva 9. Vedessä liikkuva moottorivene aiheuttaa aaltoja. Kun aallot saavuttavat veneen, vene keinuu.

Gravitaatioaaltojen havaitseminen liittyy hieman samankaltaiseen tapahtumaan. Esimerkiksi mustien aukkojen törmäyksessä syntyvä gravitaatioaalto liikkuu aika-avaruuden läpi ja heikkenee edetessään. Kun gravitaatioaalto kulkee Maan läpi, se venyttää ja kaventaa Maata vuorotellen — aivan kuten aallot keinuttivat venettäsi vuorotellen ylös ja alas.

Video 1. Gravitaatioaallot venyttävät ja kaventavat Maata vuorotellen (Wikimedia commons).

Eikö samalla esimerkiksi talojen pitäisi venyä ja kaventua? En ole ikinä nähnyt niin tapahtuvan.

Kyllä, ja myös sinä venyt ja kavennut gravitaatioaallon kulkiessa lävitsesi. Koska olemme osa aaltoilevaa aika-avaruutta, emme havaitse tätä aaltoilua suoraan. Muutos olisi muutenkin niin pieni, ettei sitä voi ihmissilmällä havaita. Gravitaatioaaltojen havaitsemiseen käytetään muun muassa LIGO-nimistä laitteistoa (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Näitä laitteistoja on kaksi ja ne sijaitsevat eri puolilla Yhdysvaltoja. Laitteistossa on kaksi neljän kilometrin mittaista tyhjiöputkea, jotka ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan. Laserlähteestä ammutaan valonsäde, joka hajaantuu peilien kautta kumpaankin putkeen ja heijastuu niiden päästä takaisin. Heijastuneet säteet yhdistetään jälleen ja ne päätyvät ilmaisimeen. Normaalisti säteet tulevat ilmaisimeen tismalleen samaan aikaan ja täsmälleen vastakkaisissa vaiheissa, jolloin ne kumoavat toisensa eikä ilmaisin havaitse valoa. 

Kuva 10. LIGOn rakenne. Lasersäde ammutaan puoliläpäisevään peiliin, joka suuntaa sen kahteen neljän kilometrin mittaiseen tyhjiöputkeen. Säteet heijastuvat takaisin putkien päissä olevista peileistä ja ohjautuvat ilmaisimeen (kuvassa alin harmaa suorakulmio). Myös putkien alussa on osittain läpäisevät peilit, jolloin osa fotoneista heijastuu takaisin kohti putken perää. Kuvassa peilit on piirretty sinisinä. 

Kun gravitaatioaallot venyttävät ja kutistavat Maata, myös LIGOn varret lyhenevät ja pitenevät vuorotellen. Varsien pituuden muuttuminen muuttaa myös lasersäteen kulkemaan matkaan, jolloin valoaaltojen vaihe-ero niiden tullessa ilmaisimeen muuttuu. Koska ilmaisimeen saapuvien aaltojen vaiheet eivät enää ole täysin vastakkaiset, ne eivät enää kumoa toisiaan, jolloin ilmaisin havaitsee valoa. Tällä tavoin gravitaatioaalto voidaan havaita!

Ensimmäinen havainto gravitaatioaalloista saatiin vuonna 2015. Se oli peräisin kahden mustan aukon yhteensulautumisesta, joka tapahtui 1,3 miljardin valovuoden päässä Maasta. Gravitaatioaaltojen havaitseminen oli merkittävä edistysaskel tieteelle, eikä ainoastaan sen vuoksi, että se täytti suhteellisuusteorian ennusteen niiden olemassaolosta.

Mitä gravitaatioaallot siis kertovat meille universumista?

Kuvittele, että sinulta olisi koko elämäsi ajan puuttunut joku aisti, ja yhtäkkiä saisitkin sen itsellesi. Tämä uusi aisti avaisi sinulle aivan uudenlaisen tavan tehdä havaintoja ympäristöstäsi. Samalla tavalla gravitaatioaallot tarjoavat täysin uuden keinon universumin tutkimiseen.

Gravitaatioaaltoja havainnoimalla voidaan nähdä erittäin pitkälle menneisyyteen, ehkä jopa alkuräjähdykseen asti. Gravitaatioaallot eivät vuorovaikuta materian kanssa, joten ulkopuoliset häiriötekijät eivät vaikuta niihin. Siispä ne tarjoavat alkuperästään selkeää tietoa.

Gravitaatioaallot havaittiin ennen kuin ensimmäinen kuva mustasta aukosta saatiin muodostettua. Havainto oli jo silloin lisätodiste mustien aukkojen olemassaolosta. Gravitaatioaaltojen perusteella pystyttiin myös päättelemään, että mustia aukkoja on monen kokoisia. Mustien aukkojen lisäksi gravitaatioaaltojen avulla voidaan saada tietoa myös neutronitähdistä ja niiden törmäyksistä sekä tähtien räjähdyksistä.

Yhteenveto:

• Musta aukko on pallomainen, äärimmäisen tiheä kappale.
• Mustan aukon painovoima on niin suuri, että edes valo ei pääse poistumaan ylitettyään tapahtumahorisontin.
• Musta aukko voi syntyä massiivisen tähden kuollessa tai raskaan kaasupilven romahtaessa kasaan, jolloin seurauksena on supermassiivinen musta aukko. Jotkut mustat aukot ovat saattaneet syntyä jo alkuräjähdyksessä.
• Mustan aukon havaitseminen on mahdollista kertymäkiekon lähettämän säteilyn ansiosta ja aukon vuorovaikuttaessa tähtien kanssa.
• Mustien aukkojen olemassaolon päättymisestä tai jatkumisesta ei vielä ole varmaa tietoa.
• Gravitaatioaallot ovat aika-avaruuden aaltoilua, jota syntyy esimerkiksi kahden mustan aukon törmätessä toisiinsa.
• Gravitaatioaaltoja voidaan havaita laitteistolla, joka muodostuu kahdesta kilometrien mittaisesta tyhjiöputkesta ja perustuu valon kulkemiseen näissä putkissa.
• Gravitaatioaallot tarjoavat uudenlaisen tavan tutkia maailmankaikkeutta.