lauantai, 25. kesäkuu 2016

Mustat aukot: Ensimmäinen kuva pian mahdollinen

pia20051-nustarsolo-2-630x400.jpg

Taiteilijan näkemys supermassiivisesta mustasta aukosta.Siihen syöksyvä aine muodostaa kiertymäkiekon.

 

X-RayFlare-BlackHole-Milky-1-630x400.jpg

 

Sagittarius A -mustasta aukosta yritetään otaa kuvaa radioteleskoopilla.

 

Artists_rendering_ULAS_J11-1-630x400.jpg

 

Mustan aukon ruokkima kvasaari.

 

Gravity_Waves_StillImage-1-630x400.jpg

 

Kahden mustan aukon kolari 1,3 miljardia vuotta sitten johti kravitaatioaaltojen löytymiseen viimesyksynä.

 

C0288225-LIGO_gravitationa-1-630x400.jpg

Kahden mustan aukon törmäyksen aallot havaittiin LIGO-havaintolaitteella.Vastikään julkistettiin myös toinen, joulukuussa tehty havainto gravitaatioaalloista.

 

Maailmankaikkeudesta häviää informaatiota, vaikka fysiikan peruslakien mukaan niin ei pitäisi käydä.

Ensin niitä ei tunnettu, sitten niihin ei uskottu. Jossain vaiheessa niitä pidettiin uhkana ihmiskunnan olemassaololle ja nyt niistä tuntuu olevan jatkuvasti jotakin uutta kerrottavaa.

Mustat aukot ovat osoittautumassa maailmankaikkeuden tärkeimmiksi kohteiksi. Entisistä astrofysiikan hylkiöistä on tulossa tähtitieteen kuuminta hottia.

Kun fyysikko Rai Weiss yritti 1970-luvulla vakuuttaa kollegoitaan MIT:ssä (Massachusetts Institute of Technology) gravitaatioaaltojen havaitsemiseen pyrkivän tutkimusohjelman mielekkyydestä, häntä neuvottiin unohtamaan koko juttu, koska mustia aukkoja ei ole olemassa.

Nyt Weiss on yhdessä kahden muun alan pioneerin, Kip Thornen ja Ron Dreverin kanssa vahvasti esillä Nobel-ehdokkaana, kun pitkän yrittämisen jälkeen lopulta viime vuonna onnistuttiin havaitsemaan gravitaatioaaltoja. Ja ne todennäköisesti syntyivät kahden mustan aukon törmätessä toisiinsa 1,3 miljardin valovuoden päässä.

Vuonna 2015 havaittu kosminen kolari tapahtui siis 1,3 miljardia vuotta sitten eli samoihin aikoihin, kun maapallon elämä kehittyi monisoluiseksi.

Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennusti mustien aukkojen olemassaolon jo vuonna 1915 – ennen kuin niillä oli nimeäkään. Kun riittävän suuri massa tiivistyy riittävän pieneen tilaan, gravitaatio kasvaa niin suureksi, että valokaan ei enää pääse pakoon.

Kun joitakin kertoja Aurinkoa massiivisemman tähden ydinpolttoaine loppuu, fuusioreaktiot sammuvat, sisäinen paine katoaa ja tähti luhistuu kasaan. Edes aineen perushiukkasten rakenne ei kestä, vaan suunnaton massa puristuu olemattomaksi pisteeksi, jonka tilavuus on käsittämättömän pieni: pyöreä nolla.

Jäljelle jää pelkkä vetovoima – ja jotain, mitä emme vielä tunne: nykyfysiikka ei taivu hahmottamaan mustan aukon sisuksia ja siellä vallitsevia olosuhteita.

Yksi iso ongelma on informaation katoaminen. Kun aine joutuu mustaan aukkoon, kaikki tieto sen olemuksesta, koostumuksesta ja aiemmista vaiheista katoaa. Maailmankaikkeudesta häviää informaatiota eikä fysiikan peruslakien mukaan niin pitäisi tapahtua.

Mustien aukkojen kanssa melkein koko tutkijanuransa painiskellut Stephen Hawking on pohtinut tätä informaatioparadoksia jo pitkään. Kesäkuun alussa hän julkaisi Malcolm Perryn ja Andrew Stromingerin kanssa artikkelin, jossa ongelmaan esitetään uusi, hilpeästi ristitty ratkaisu: pehmeät kvanttikarvat.

Hiukkasfysiikka on jotain aivan muuta kuin arkimaailma, joten tässäkin tapauksessa hämäävän arkiselta kuulostava käsite on todellisuudessa jotakin aivan muuta.

Hawkingin kollegoineen hahmottelemat ”karvat” ovat mustan aukon liepeillä majailevia matalaenergisiä hiukkasia, joilla on erilaisia energiatiloja. Teorian mukaan tällaisiin kvantteihin voi tallentua tieto siitä, millaista ainetta mustaan aukkoon on kadonnut.

 

Tähdenmassaisten mustien aukkojen lisäksi on olemassa supermassiivisia mustia aukkoja. Ne ovat nimensä veroisia, sillä niiden massa voi olla miljoonia tai miljardeja kertoja Auringon massaa suurempi.

Supermassiiviset mustat aukot lymyävät galaksien keskustoissa eikä niiden syntyä tunneta tarkasti. Mahdollisesti ne ovat tulosta tiheiden tähtijoukkojen tai tiiviiden kaasupilvien luhistumisesta.

Ne ovat kuitenkin keskeisiä tekijöitä galaksien kehityksessä.

Nykykäsityksen mukaan jokseenkin kaikilla galakseilla on nuoruudessaan kvasaarivaihe, jolloin ne säteilevät hyvin kirkkaasti. Kun supermassiivisella mustalla aukolla on paljon ”syötävää” – tähtiä, kaasua, pölyä – sen lähiympäristö on niin voimallisessa myllerryksessä, että seuraukset ovat havaittavissa miljardien valovuosien etäisyydeltä.

Aukkoon syöksyvä aine muodostaa vinhasti kieppuvan kertymäkiekon, jossa kuumeneva kaasu ja pöly säteilevät voimakkaasti eri aallonpituuksilla. Toisinaan kiekon paine saa aikaan ainesuihkuja, jotka sinkoutuvat satojentuhansien valovuosien etäisyydelle galaksista.

Kun mustalta aukolta loppuu ruoka, kvasaari sammuu ja galaksi jatkaa elämäänsä ”tavallisena” tähtijärjestelmänä. Esimerkiksi oma Linnunratamme on ollut sellainen jo pitkään, vaikka sekin on todennäköisesti ollut muinoin kvasaari.

Tähtiä syntyy ja tähtiä kuolee tasaiseen tahtiin. Tässä vaiheessa olosuhteet ovat riittävän rauhalliset ja vakaat vaikkapa elämän kehittymiselle.

Kaikkien galaksien elämänkaari ei kuitenkaan ole samanlainen. Osa galakseista näyttää ”kuolevan” ennen aikojaan. Uusien tähtien synty loppuu ja jäljelle jää vain ikääntyviä, punertuvia tähtiä.

“Tähdet syntyvät kylmän kaasun tiivistyessä, mutta näissä galakseissa ei ole nuoria tähtiä vaikka kaasua on runsain mitoin. Aivan kuin autiomaan yllä roikkuisi sadepilviä, mutta maahan saakka ei tulisi vettä”, havainnollistaa Edmond Cheung Kavli-instituutista (Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe).

Cheungin johtaman ryhmän tekemässä tuoreessa tutkimuksessa syyllisiksi näyttävät osoittautuvan supermassiiviset mustat aukot.

Joissakin galakseissa keskustan musta aukko saa aikaan voimakkaan hiukkastuulen. Se kuumentaa tähtienvälistä kaasua niin, ettei siitä voi syntyä uusia tähtiä.

Supermassiivinen musta aukko ”steriloi” koko tähtijärjestelmän. Ennen pitkää nuoret siniset tähdet katoavat, kun ne ikääntyessään muuttuvat punaisiksi jättiläisiksi.

 

Mustien aukkojen kokoskaalan toisessa ääripäässä ovat mustat miniaukot, joita teorian mukaan on voinut syntyä pian maailmankaikkeuden synnyn jälkeen.

Näitä ”muinaisia” mustia aukkoja tiivistyi sekunnin murto-osan ikäisen universumin äärimmäisissä olosuhteissa. Ehkä. Varmoja siitä ei olla, sillä mustien miniaukkojen havaitseminen on vielä vaikeampaa kuin tähdenmassaisten aukkojen.

Stephen Hawkingin kehittämän teorian mukaan mustat aukot voivat ”höyrystyä”, kun niiden massa vähenee. Höyrystyminen tapahtuu sitä nopeammin, mitä pienempi on aukon massa. Pian alkuräjähdyksen jälkeen syntyneet mustat miniaukot alkaisivat laskelmien mukaan olla tiensä päässä näihin aikoihin.

Hawkingin teoriaan sopivia räjähdysmäisiä höyrystymisiä ei kuitenkaan ole havaittu.

Miniaukkojen lisäksi maailmankaikkeuden varhaisvaiheissa saattoi syntyä myös suurempia, kymmeniä kertoja Aurinkoa massiivisempia mustia aukkoja. Ja olkoonkin, että muinaisten mustien aukkojen olemassaolosta ei ole vielä edes varmuutta, ne saattavat olla paljon enemmän kuin pelkkä kosmologinen kuriositeetti.

Tähtitieteilijöiden ongelmana on, että 95 prosenttia maailmankaikkeudesta on hukassa. Näkyvää ainetta, joka voidaan havaita eri aallonpituusalueiden säteilyn perusteella, on koko universumin massasta ainoastaan viitisen prosenttia.

Pimeää ainetta taas on runsas neljännes eli 27 prosenttia ja loput, 68 prosenttia, on pimeää energiaa.

Pimeän aineen olemuksesta tiedetään hyvin vähän, pimeästä energiasta vielä vähemmän. Käytännössä ainoastaan se, että pimeä energia saa maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtymään.

Nyt näyttää siltä, että pimeälle aineelle on saattanut löytyä selitys: muinaiset mustat aukot.

Vihje on löytynyt maailmankaikkeuden täyttävästä infrapuna- ja röntgenalueiden taustasäteilystä, joka on syntynyt hyvin kauan sitten, alle miljardin vuoden ikäisessä maailmankaikkeudessa.

Alexander Kashlinsky on jo aiemmin tehnyt kahdella avaruusteleskoopilla havaintoja, joiden perusteella taustasäteily on epätasaisempaa kuin sen teorioiden mukaan pitäisi olla.

Pimeästä aineesta on esitetty erilaisia arvauksia, todennäköisimpänä pidetään, että se koostuu toistaiseksi tuntemattomista eksoottisista hiukkasista. Ongelmana on, ettei näitä hiukkasia ole yrityksistä huolimatta löydetty.

Nyt Kashlinsky kollegoineen on etsinyt selitystä pimeälle aineelle muinaisista mustista aukoista.

Maailmankaikkeuden synnyn jälkeen pimeän aineen kasaumat vetivät puoleensa tavallista ainetta, josta syntyivät ensimmäiset tähdet. Uuden tutkimuksen mukaan tähtien syntymä olisi tapahtunut hieman oletettua nopeammin, jos pimeä aine olisi koostunut mustista aukoista.

Taustasäteilyssä havaitun epätasaisuuden arvellaan johtuvan juuri näiden ensimmäisten, kaikkein hätäisimpien tähtien sekä muinaisiin mustiin aukkoihin syöksyneen aineen lähettämästä säteilystä.

Teoria pitää kuitenkin varmistaa havainnoilla, ja muinaisten mustien aukkojen kohdalla se on hyvin vaikeaa. Silti siinä on ehkä jo onnistuttu.

Viime talvena julkistettiin LIGO-observatorioilla (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) tehty havainto gravitaatioaalloista, jotka laskelmien mukaan ovat syntyneet toisiaan kiertävien mustien aukkojen törmätessä yhteen. ”Muinaisten mustien aukkojen ominaisuudet saattoivat olla hyvin samanlaisia kuin LIGOlla havaittujen aukkojen”, Kashlinsky arvioi.

”Jos havainnot ja teoria sopivat yhteen, kaikkia galakseja, myös omaa Linnunrataamme, ympäröi noin 30 kertaa Aurinkoa massiivisempien mustien aukkojen muodostama kehä.”

 

Mustia aukkoja on kuitenkin hyvin vaikea ”nähdä”, sillä ne ovat nimensä mukaisesti täysin valottomia. Toistaiseksi kaikki havainnot ovat epäsuoria ja perustuvat mustien aukkojen lähiympäristössä esiintyviin ilmiöihin.

Tilanteeseen saattaa kuitenkin tulla parannus. Tutkijat ovat kehittäneet uuden havaintomenetelmän, jolla on ehkä mahdollista saada ensimmäinen kuva mustasta aukosta.

”Linnunradan keskuksessa olevan mustan aukon kuvaaminen vastaa kuvan ottamista Kuun pinnalla olevasta greipistä”, toteaa Katie Bouman MIT:stä. ”Niin pienen kohteen kuvaamiseen vaaditaan kymmenentuhannen kilometrin läpimittainen teleskooppi.”

Vaaditut mitat täyttävää teleskooppia on kehitetty jo kymmenen vuoden ajan. Rakenteilla ei kuitenkaan ole yli 10 000 kilometrin läpimittaista instrumenttia. Kyse on virtuaaliteleskoopista, joka muodostuu eri puolilla maailmaa olevista antenneista.

Niiden mittaukset yhdistetään siten, että havaintotarkkuus vastaa radioteleskooppia, jonka läpimitta on sama kuin yksittäisten antennien välinen suurin etäisyys.

Mustan aukon kuvaaminen vaatii kuitenkin niin suurta tarkkuutta, että virtuaaliteleskoopin ”virtuaalisuus” asettaa omat rajoituksensa. Vaikka sen koko on laskennallisesti samaa luokkaa kuin maapallon, antenneja ei todellisuudessa ole kuin siellä täällä.

Boumanin johdolla on kehitetty uudenlainen algoritmi, jolla tämä puute saadaan paikattua. Matemaattisin menetelmin eri antenneilla kerättyä havaintoaineistoa voidaan käsitellä siten, että järjestelmän erottelukykyä saadaan kasvatettua.

Tavoitteena on saada kuva Linnunradan keskuksessa sijaitsevasta supermassiivisesta mustasta aukosta Sagittarius A* jo ensi vuonna.