Mustien aukkojen reunalla fysiikan lait horjuvat – kaikki katoaa niihin lopullisemmin kuin sukka pesukoneeseen - Tiede | HS.fi

Mustien aukkojen reunalla fysiikan lait horjuvat – kaikki katoaa niihin lopullisemmin kuin sukka pesukoneeseen

”Musta aukko saattaa säilyttää salaisuutensa”, varoittaa professori Heino Falcke. Saksalainen huippututkija valmistelee ryhmineen kuitenkin uusia kuvia avaruuden arvoituksellisimmista kohteista.

Ensimmäinen kuva mustasta aukosta koostettiin usean radioteleskoopin keräämistä tiedoista. Säteilevä plasma kiertää tapahtumahorisonttia, joka erottuu ikään kuin varjona keskellä. Sen sisään mahtuisi helposti koko Aurinkokunta.

2.12.2021 2:00

KUn ensimmäinen kuva mustasta aukosta julkistettiin keväällä 2019, maallikko ajatteli maailmankaikkeuden arvoituksellisimman kohteen paljastavan vihdoin salaisuuksiaan.

Kuvassa näkyi säteilyn rengas, joka kiersi sysimustaa pyöreää varjoa. Säteily piirsi mustan aukon tapahtumahorisontin, joka on mustan aukon reuna. Sen sisältä valokaan ei pääse pois.

Mahdollisuutta kuvata mustaa aukkoa esitti ensimmäisten joukossa saksalainen professori Heino Falcke. Hän työskentelee Radboudin yliopistossa Nijmegenissä Hollannissa.

Falcken, yhdysvaltalaisen tutkijan Shep Doelemanin ja muutaman muun aloitteesta koottiin satojen tutkijoiden kansainvälinen ryhmä.

Se koosti radioaalloilla kuvan galaksin M87 keskustan jättimäisestä mustasta aukosta. Kohde valittiin muun muassa kokonsa takia, koska se voitiin kuvata nykytekniikalla.

Kuva on taianomainen. Mutta näemmekö koskaan syvemmälle?

”Musta aukko saattaa säilyttää salaisuutensa”, Falcke varoittaa puhelimessa HS:lle.

Vaikka mustasta aukosta saataisiin paljon tarkempi kuva, kosmologeille ja etenkin kvanttifyysikoille jää yhä mustan aukon perimmäinen salaisuus ratkaistavaksi.

Mitä on mustan aukon sisällä? Havaittavaksi jää oikeastaan tapahtumahorisontti eli aukon reuna ja sitä kiertävä säteily. Tapahtumahorisontti on alue, jolta valo ei enää pääse karkuun.

Mustat aukot syntyvät normaalisti, kun Aurinkoa riittävästi massiivisempi tähti romahtaa elinkaarensa lopulla. Tähden uloimmat kerrokset sinkoutuvat avaruuteen ja ydin romahtaa pisteeksi painovoiman takia.

Romahtavan tähden massa voi olla kymmeniä Auringon massoja. Toisiinsa törmäävien mustien aukkojen on nähty tuottavan yhteensulautumisessa runsaasti yli sadan Auringon massaisia aukkoja. Kuvatun kaltaisen todella massiivisen mustan aukon syntyä ei täysin ole vielä selitetty.

Mustista aukoista tiedetään ylipäätään vain muutamia ominaisuuksia.

”Tiedämme nyt niistä massan, pyörimisen ja sen, miten ne kiskovat avaruutta ympärillään pyöriessään. Kysymys kuuluu, voivatko ne olla loppujen lopuksi monimutkaisempia kuin ajattelemme”, Falcke pohtii.

”Nyt pohdimme, voisiko mustien aukkojen ympäriltä löytyä uudenlaisia pimeän aineen hiukkasia tai päädymmekö niiden takia muuttamaan painovoiman teoriaa.”

Painovoiman teoria tarkoittaa Albert Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa, joka on läpäissyt lukuisia kokeita horjumatta sata vuotta.

Mustat aukot ovat kuitenkin pilanneet yöunet etenkin kvanttifyysikoilta. He tutkivat todellisuuden pienimpiä hiukkasia, ja tutkimus on yleensä erillään yleisestä suhteellisuusteoriasta.

”Mustat aukot tuhoavat kvanttifysiikan kauneuden, koska ne rikkovat tärkeän symmetrian. Mustaan aukkoon päätynyt informaatio katoaa kuin yksittäinen sukka pesukoneeseen, eivätkä kvanttifyysikot pidä siitä”, Falcke sanoo.

Tämä on päänsärky kvanttifysiikassa, jonka kaavoissa symmetriat yleensä säilyvät. Jopa aika kulkee kumpaankin suuntaan. Meidän todellisuudessamme eli makromaailmassa aika, painovoima ja entropia eli epäjärjestys kulkevat vain yhteen suuntaan.

Informaation häviäminen mustaan aukkoon on ongelma, koska kvanttimekaniikassa systeemin tilan kehitys on ennustettavissa aiemmasta tilasta ja nykytilasta voi päätellä aiemman tilan.

Mustan aukon aiheuttaman päänsäryn parantaisi se, että mustaan aukkoon päätynyt aine tai säteily voitaisiin palauttaa jollakin tavalla, edes palasina. Jos verrataan sukkaan, riittäisi sen palauttaminen purkautuneena, Falcke vertaa.

”Ehkä mustat aukot pystyvätkin säilyttämään informaation. Ehkä voimme laboratoriossa testata sitä kokeilla, jotka mallintavat mustien aukkojen oloja. Emme tiedä vielä. Ehkä meidän pitää muuttaa kvanttiteoriaa. Ehkä voimme mallintaa aukkojen oloja jotenkin laboratoriossa.”

Mustat aukot voivat säteillä ristiriitaisesti Stephen Hawkingin teoriassa, joka yhdistää kvanttifysiikan ja painovoiman kaavat.

Säteilyä on tapana kuvata siten, että kvanttifysiikan lakien mukaan tyhjässä avaruudessa syntyy jatkuvasti hiukkasen ja antihiukkasen pareja, jotka syntyvät yhdessä ja tuhoavat toisensa heti.

Jos tällainen pari syntyy aivan mustan aukon tapahtumahorisontin reunalla, musta aukko voi napata toisen hiukkasen. Jäljelle jäänyt hiukkanen pakenee säteilynä. Sen saama energia vähennetään aukon massasta, joka näin ollen pienenee hiukkasen energian verran.

Tällaista säteilyä on mahdoton mitata, joten Hawkingin säteilyllä ei Falcken sanoin ole käytännön merkitystä. Vaikka tähden kokoinen musta aukko menettäisi massaa näin, aukon hiipuminen kestäisi maailmankaikkeuden ikää kauemmin.

Mustien aukkojen omituisuuksien edessä tähtien tutkijan luulisi turhautuvan.

”En ole turhautunut, koska rakastan niiden arvoitusta. Hyväksyn, että mustat aukot ovat osa maailmankaikkeutta, jota pienet mielemme eivät voi ymmärtää täydellisesti. Tätä ajatusta vaalin.”

”Ehkäpä joudumme luovuttamaan sadan vuoden päästä tyhjin käsin. Mutta elätän toivoa, että enkä jonakin päivänä voin ymmärtää niitä enemmän.”

Taiteilijan näkemys kahdesta mustasta aukosta, jotka kiertyvät yhteen ja muodostavat yhden suuremman mustan aukon. Näitä tapahtumia havaitaan gravitaatioaalloilla.

Mutta ainakin niistä saadaan entistä tarkempia kuvia. Tutkijat työstävät nyt kuvaa oman galaksimme keskustan supermassiivisesta mustasta aukosta, nimeltään Sagittarius A*.

”Se on mahdollista, mutta se ei ole helppoa. Työskentelemme sen parissa, meillä on dataa, ja julkaisemme lopulta tulokset, eikä kovin kaukaisessa tulevaisuudessa. Voit sitten itse arvioida tulokset”, Falcke sanoo.

Linnunradan keskustan mustan aukon kuvaaminen on vaikeampaa kuin jo kuvatun jättiläisen.

Sagittarius A* on muuttuvampi kuin vuonna 2019 kuvattu M87:n musta aukko. Säteilevä plasma kiertää M87:n valtavan aukon kahdessatoista päivässä, joten sitä ehtii myös seurata useita päiviä. Sagittarius A*n plasma kiertää suurin piirtein kahdessatoista minuutissa, Falcke vertailee.

Aukkoa M87 seurattiin kahdeksalla radioteleskoopilla. Ne tahdistettiin atomikelloilla ja niiden sijainti maailmankaikkeudessa tarkistettiin millimetrien tarkkuudella. Syynä on se, että maapallon rakenne elää koko ajan vähän ja huojahtelee pyöriessään. Tarkistuspisteinä olivat kaukaiset tunnetut mustat aukot.

Kuvan koosti neljä ryhmää, jotka käyttivät eri laskentaohjelmia, eivätkä ne saaneet viestiä toisilleen laskennan aikana. Sitten tulosta työstivät vielä tietokoneet. Syntynyt kuva on näin ollen tieteellisesti mahdollisimman aito.

Radioaaltojen muodostama kuva tosin väritettiin hehkuvan raudan punaiseksi, mikä oli Falcken mukaan ”taiteellinen vapaus” tutkimuksessa. Radioaaltojen aallonpituus on paljon pidempi kuin näkyvän punaisen.

Jo nykyisellä tekniikalla saataisiin M87:n mustasta aukosta tarkempi kuva, jos vain käytössä olisi useampia teleskooppeja.

”Jos avaruudessa olisi radioteleskooppi, erottelukyky olisi paljon tarkempi”, Falcke innostuu.

M87:stä kerättyä dataa on sittemmin laskettu uudelleen, jolloin se paljasti aukkoa kiertävän säteilyn polarisaation suuntautumisen magneettikentässä. Tutkimus julkaistiin viime keväänä.

Linnunradan keskustassa on massiivinen säteilevä kohde.

Sagittarius A* näkyy maapallolta katsottuna näennäisesti vähän isompana kuin kuvaan jo päässyt kaukaisen galaksin keskustan jättiläinen. Siksi sen kuvaamisen ei pitäisi olla mahdotonta.

Linnunradan pöly ja kuumat kaasut eivät Falcken mukaan myöskään häiritse näkymää niin voimakkaasti kuin on ajateltu. Matkaa maapallolta Linnunradan keskustaan on runsaat 25 000 valovuotta, kun M87 on noin 55 miljoonan valovuoden päässä.

Pulmana on se, että Sagittarius A* näkyy eteläisellä pallonpuoliskolla, jolla on vähän tehtävään sopivia radioteleskooppeja.

”Espanjassakin Sagittarius A* näkyy vain muutamia tunteja. Alamme tehdä uutta teleskooppia Afrikkaan”, Falcke sanoo. Namibiaan eteläiseen Afrikkaan suunnitellaan teleskooppia, joka voitaisiin tuoda Chilestä La Sillan observatoriosta.

Suomi on liian pohjoisessa havainnoimaan Sagittarius A*:ta millään teleskoopilla. Turussa on Falcken mukaan kuitenkin arvokasta tietoa hankkeen kannalta. Mustan aukon kuvaajat ovat käyttäneet radioteleskoopin tarkistuspisteenä myös OJ 287:ää, joka on kahden mustan aukon järjestelmä.

Turkulaisen tähtitieteilijän Mauri Valtosen ryhmä laski kohteen massan vuonna 2008. Mustan aukon kuvaajat ovat havainnoineet myös sitä, ja tuloksia siitäkin siis on odotettavissa joskus tulevaisuudessa.

Lähde: Valo pimeydessä – Mustat aukot, maailmankaikkeus ja me. Heino Falcke, Jörg Römer. Suomenkielinen laitos Aula & Co 2021. Suomentanut Tuomas Renvall.

Oudosti eri kokoisia

  • Massiivisten, miljoonien ja miljardien Aurinkojen massaisten mustien aukkojen synty on tarkasti selittämättä. Yksi selitys on, että valtavat kaasujen alueet romahtavat kasaan.

  • Iso arvoitus ovat muinaiset mustat aukot, jotka syntyivät alkuräjähdyksessä. Niiden teoriaa kehittivät muun muassa kuulu brittiläinen fyysikko Stephen Hawking ja hänen oppilaansa Bernard Carr.

  • Muinaiset mustat aukot voisivat olla todella pieniä, jopa atomin ytimen luokkaa, tai jalkapallon kokoisia.

  • Koko voi tosin vaihdella suuresti. Erään teorian mukaan muinaiset mustat aukot olisivat Auringon massaisia. Saattaa olla myös, että osa supermassiivisista mustista aukoista on muinaista lajia.

  • Niitä ei ole yrityksistä huolimatta havaittu. Ne voisi teoriassa havaita painovoimalinssi-ilmiön avulla, jossa massiivinen pimeä kohde vääristää takaa tulevan näkyvän kohteen valoa hetkeksi. Tai ehkä gravitaatioaalloilla.

  • Pienimmät muinaiset aukot höyrystyisivät teoriassa Hawkingin säteilyn kautta eli säteilisivät valoa ja muita hiukkasia.

  • Osa tutkijoista pitää muinaisten mustien aukkojen ajatusta kiinnostavana lähinnä teoreettisesti. Jos niitä löytyisi, löytö olisi eittämättä Nobelin palkinnon arvoinen.

Lähde: Matka mustaan aukkoon – Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan. Tommi Tenkanen. Ursa 2021.

Lue lisää: Tieteen suuret arvoitukset: Olemmeko todella sotaisia, kuten ihmiskunnan historia kertoo

Lue lisää: Tieteen suuret arvoitukset: Onko ihmisen pisin ikä jo lyöty lukkoon – vai löytyykö elämän pidennys nuorten elimistön mekanismista?

Artikkeliin liittyviä aiheita

Osaston uusimmat

Luitko jo nämä?

Osaston luetuimmat