Ekologinen eläintarha
Kirjoitin kymmenen vuotta sitten mustista aukoista seuraavasti:
”Tällä hetkellä mustat aukot ovat tunnetun fysiikan rajalla: enemmän kuin pelkkiä arveluita, mutta vailla kiistatonta kokeellista varmennusta. Aihe yhdistää eri aloja: teoreettista ja kokeellista astrofysiikkaa, gravitaatioaaltojen fysiikkaa, hiukkasfysiikkaa ja suhteellisuusteoriaa. Tilanteessa on mielenkiintoisia teoreettisia mahdollisuuksia, ja kokeellinen tutkimus voi tarjota jotain sykähdyttävää.”
Neljä vuotta myöhemmin saatiin ensimmäinen suora havainto gravitaatioaalloista. Havaintoja on julkistettu nyt 50, ja suurin osa niistä vastaa hyvin yleisen suhteellisuusteorian ennusteita mustien aukkojen törmäyksistä. Jokusessa ainakin yksi parin jäsen on neutronitähti, ja muutamassa törmäilijöiden turhan pieni tai yllättävän korkea massa on herättänyt epäilyjä siitä, onko kyseessä sittenkään musta aukko tai neutronitähti, ainakaan tähden romahduksesta syntynyt.
Vuonna 2019 Event Horizon Telescope otti ensimmäisen valokuvan tapahtumahorisontin lähistöltä. Vuonna 2020 Nobelin palkinto meni (taas) mustille aukoille, teoreettisesta todistuksesta niiden muodostumisesta ja tarkoista havainnoista Linnunradan keskustan mustan aukon tienoilta.
Nyt on mustien aukkojen kulta-aika, ja niin tähtitieteilijät, kosmologit, kvanttigravitaatioteoreetikot kuin hiukkasfyysikotkin ovat kiireisiä aiheen parissa. Voisi siis luulla, että mustien aukkojen olemassaoloa ei enää juuri kyseenalaisteta. Asia on kuitenkin juuri päinvastoin. Koska on paljon uusia havaintoja, on mahdollista tarkemmin selvittää, onko kyse todella mustista aukoista.
Kappaleille, jotka näyttävät suunnilleen mustilta aukoilta on annettu nimi Eksoottinen Kompakti Objekti eli EKO (engl. Exotic Compact Object, ECO). Niitä on iso eläintarha, kuten fysiikassa vaihtoehtoisten kappaleiden tai hiukkasten kokoelmaa yleisesti kutsutaan. Eläintarha voidaan jakaa kahteen luokkaan.
Ensimmäisessä luokassa ovat kappaleet, jotka korvaavat mustat aukot. Yleinen suhteellisuusteoria ei ehkä kuvaa romahduksen lopputulosta täysin oikein, vaan se on yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalueen ulkopuolella. Tällöin tarvitaan laajempi teoria gravitaatiosta –kuten säieteoria, silmukkakvanttigravitaatio tai jokin muu spekulatiivinen teoria– kertomaan mitä tapahtuu.
Yksi vaihtoehto on se, että kvanttifysiikka estää tapahtumahorisontin muodostumisen, ja tähti romahtaa loputtomasti, aina vain hitaammin. Toisaalta mustat aukot korvaavilla kappaleilla voi olla monimutkainen sisärakenne, joka vaikuttaa niiden käytökseen. Jacob Bekenstein oivalsi ja Stephen Hawking osoitti 1970-luvulla, että mustilla aukoilla on lämpötila ja entropia. Entropia on suure, joka mittaa sitä, montako toisistaan erotettavaa rakennuspalikkaa kappaleella on. Mustien aukkojen entropia herättää kysymyksen siitä, millainen niiden sisärakenne on.
Jotkut pitävät säieteorian suurena saavutuksena sitä, että siitä laskettiin mustilla aukoilla olevan juuri se entropia, minkä Bekenstein ja Hawking olivat päätelleet, ja selitettiin mitä niiden sisällä on. Lasku ei kuitenkaan kuvaa sellaisia mustia aukkoja, joita on oikeasti olemassa. Myös silmukkakvanttigravitaatiosta on laskettu sama entropia, mutta laskussa on tehty oletuksia, jotka eivät kaikkia vakuuta. On siis erilaisia ideoita siitä, mitä mustien aukkojen sisällä on, mutta asiasta ei ole varmuutta.
EKOjen toinen luokka ovat pienet ja tiheät kappaleet, jotka eivät korvaa mustia aukkoja vaan ovat olemassa niiden lisäksi. Ne eivät välttämättä synny tähtien romahduksessa, vaan aivan muulla tavoin. Tutkituin vaihtoehto on bosonitähdet.
Alkeishiukkasia on kahdenlaisia: fermioneita ja bosoneita. Tuntemamme aine koostuu fermioneista. Fermioneja ei voi olla kahta samassa tilassa. Tämän takia niistä voi pinota monimutkaisia rakenteita, ja atomit ja neutronitähdet pysyvät koossa.
Bosoneita voi sen sijaan olla samassa tilassa miten monta tahansa. Esimerkiksi laserissa on monta valohiukkasta samassa tilassa. Valo ei voi muodostaa rakenteita, koska se on massatonta ja liikkuu siksi valonnopeudella. Mutta jos on olemassa bosoni, jolla on massa ja joka ei hajoa nopeasti, niin sen hiukkaset voivat samassa tilassa yhtyä suureksi tähdeksi, joka on kuin jättimäinen alkeishiukkanen.
Bosetähdet voivat kenties räjähtää, ja tällaisen bosenovan voisi havaita. (Tässä näkyy fysiikan huumori: sana bosenova kuulostaa samalta kuin musiikkilaji bossa nova.) Toisaalta niiden törmäyksiä voisi havaita gravitaatioaaltojen kautta, mustien aukkojen tapaan. Bosonitähtien koko määräytyy hiukkasen massasta. Koska havaituissa gravitaatioaalloissa näkyy iso kirjo massoja, vain pieni osa niistä olisi mahdollista selittää bosonitähdillä.
Kummankin luokan EKOilla on neljä keskeistä ominaisuutta, jotka voivat olla erilaisia kuin mustilla aukoilla: koko suhteessa massaan, muoto, pinnan heijastavuus ja tapahtumahorisontti (tai sen puute).
On sikäli helppo etsiä merkkejä vaihtoehdoista mustille aukoille, että mustat aukot ovat hyvin yksinkertaisia kappaleita. Kaikki yksinäiset samanmassaiset ja yhtä nopeasti pyörivät mustat aukot ovat samanlaisia. Ne ovat symmetrisiä pyörimisakselin suhteen, ja samanlaisia kiertotaso ylä- ja alapuolella. Jos musta aukko ei pyöri, se on pallomainen. Lisäksi mustan aukon pinta ei heijasta lainkaan, vaan imee kaiken mikä siihen osuu, eikä sen sisältä tule mitään ulos, eli sillä on tapahtumahorisontti.
EKOt voivat pyöriessään ja toisiaan kiertäessään puristua eri tavoin, menettää energiaa sisäisen möyrinnän takia (aivan kuten tähdet) ja heijastaa osan gravitaatioaalloista.
Havaintojen tulkintaa vaikeuttaa se, että kahden mustan aukon järjestelmässä on paljon enemmän vaihtoehtoja kuin yhden. Esimerkiksi pyörimisnopeuden lisäksi pitää ottaa huomioon se, miten mustien aukkojen pyörimissuunnat suhtautuvat toisiinsa ja siihen tasoon, missä ne kiertävät toisiaan. Mitä useampi luku järjestelmää kuvaa on, sitä vaikeampi on selvittää sen yksityiskohtia gravitaatioaaltohavainnoista.
Nyt tehtyjen havaintojen perusteella voidaan kuitenkin jo sanoa, että jos EKOilla ei ole tapahtumahorisonttia, niiden säde on korkeintaan 10% mustaa aukkoa isompi. Myös EKOjen mahdollisesti mustista aukoista poikkeavia muotoja on mitattu, mutta niille ei ole saatu kovin tarkkoja rajoja.
Jos EKOn pinta heijastaa gravitaatioaaltoja, voi syntyä kaikuja. Jotkut ryhmät ovat väittäneet löytäneensä havaituista gravitaatioaalloista kaikuja, mutta tarkempien analyysien mukaan väitetty signaali ei erotu kohinasta.
Vuonna 2034 taivaalle nouseva gravitaatioaaltodetektori LISA pystyy selvittämään asiaa tarkemmin. Nykyiset gravitaatioaaltodetektorit LIGO ja Virgo näkevät vain noin sekunnin pätkän gravitaatioaalloista. LISA pystyisi seuraamaan samoja kohteita vuosien ajan ennen törmäystä, mikä lisäisi datan määrää valtavasti, vaikka signaali onkin hieman heikompi, koska aallot ovat voimakkaimpia kappaleiden kohdatessa.
Lisäksi LISAn odotetaan näkevän pieniä mustia aukkoja kiertämässä galaksien keskustojen jättiläismäisiä mustia aukkoja. Niissä on se vaikeus, että radat ovat erittäin monimutkaisia, eikä niitä ole vielä pystytty laskemaan edes supertietokoneilla. Ongelman kääntöpuoli on se, että koska radat ovat herkkiä mustien aukkojen ominaisuuksille, havainnot antavat tarkkoja rajoja ison mustan aukon ominaisuuksille kunhan ennusteet saadaan laskettua.
Toistaiseksi kaikki havainnot sopivat yhteen yleisen suhteellisuusteorian ennusteiden kanssa, eikä ole mitään luotettavaa ennustetta, jonka perusteella gravitaatioaaltokokeiden odottaisi näkevän merkkejä kvanttigravitaatiosta tai uudenlaisista tähdistä. Gravitaatioaallot ovat kuitenkin osoittaneet kykynsä luodata yksityiskohtaisesti niinkin äärimmäistä ilmiötä kuin tapahtumahorisonttia. Tulevat havainnot vähintäänkin lisäävät ymmärrystämme siitä, miten tarkasti yleinen suhteellisuusteoria kuvaa aika-avaruutta.
”Yleinen suhteellisuusteoria ei ehkä kuvaa romahduksen lopputulosta täysin oikein, vaan se on yleisen suhteellisuusteorian pätevyysalueen ulkopuolella. […] Yksi vaihtoehto on se, että kvanttifysiikka estää tapahtumahorisontin muodostumisen, ja tähti romahtaa loputtomasti, aina vain hitaammin.”
Eikö asia hoituisi myös lisäämällä uusi valon nopeuden vakioisuuteen verrattavissa oleva klassinen periaate? Saataisiin siis analoginen tulos sille, että kappaleen liike-energia kasvaa rajatta, kun nopeus lähestyy valon nopeutta, eli tässä tapauksessa kappaleen energiatiheys kasvaa rajatta, kun avaruuden kaarevuus lähestyy jotakin kriittistä arvoa. Ja koska äärettömyydet ovat epäfysikaalisia, niin mitään todellista mustaa aukkoa ei voisi muodostua.
Se, että valon nopeus on vakio ei ole fysiikan periaate. Se on tulos, joka seuraa sähkömagnetismin laeista.
Se, että on olemassa suurin mahdollinen signaalinopeus on osa yleisen suhteellisuusteorian rakennetta, ei sekään erillinen periaate joka olisi lisätty erikseen.
Tapahtumahorisonttiin ei liity ääretöntä kaarevuutta. Kaarevuus sen kohdalla riippuu mustan aukon koosta ja on sitä pienempi, mitä isompi musta aukko on. Mustan aukon keskustassa (yleisen suhteellisuusteorian mukaan) olevaan singulariteettiin liittyy ääretön kaarevuus, mutta sen muodostuminen on eri asia kuin tapahtumahorisontin muodostuminen.
Nuo bosonitähdet ovatkin sitten mielenkiintoinen lisä perinteiseen kosmologiaan/tähtitieteeseen – jos totta, niinkuin slogani kuuluu.
Ilmeisesti mitkään nykyään tunnetut bosonit eivät käy. Monasti spekuloitu on esim axioni (jota myös ehdotetaan pimeän aineen hiukkaseksi). Mainitsit tuon Loop Quantum teorian: siinähän ehdotetaan Planckin tähteä eli Planckin energiatiheyden muodostamaa tähteä (jossa Heisenbergin epämääräisyysperiaatteen synnyttämä poisto”voima” pitäisi tähden kasassa).
Mitä arvelet näistä?
En ole Planck-tähdistä kuullutkaan.
In loop quantum gravity, a Planck star is a theoretically possible astronomical object that is created when the energy density of a collapsing star reaches the Planck energy density. Under these conditions, assuming gravity and spacetime are quantized, there arises a repulsive ”force” derived from Heisenberg’s uncertainty principle. In other words, if gravity and spacetime are quantized, the accumulation of mass-energy inside the Planck star cannot collapse beyond this limit to form a gravitational singularity because it would violate the uncertainty principle for spacetime itself
https://en.wikipedia.org/wiki/Exotic_star
Kaikki tunnettu energia kvantisoituu riittävän pienessä mittakaavassa. Miksei myös aika-avaruus? Planckin tähti voi olla äärimmäinen tiheys. Singulariteetti oli jo Einsteinin mielestä ajatuksena vastenmielinen
Tunnetun fysiikan mukaan kaikki energia ei ole kvantittunutta, ainoastaan sidottujen tilojen energia.
Eikö kaikki energia muodostu kvanteista? Tämähän oli paradigman muuttanut Einsteinin idea, joka selitti myös valosähköisen iilmiön ja mullisti klassisen fysiikan perustan.
Kuten yllä kirjoitin: ei. Einsteinin idea valon kvantittumisesta oli tärkeä askel kohti kvanttiteoriaa, ei osa kokonaista teoriaa. Kvanttimekaniikan koko teoria löydettiin 1920-luvun puolivälissä, ja se ennustaa täsmällisesti, milloin energia on kvantittunut ja milloin ei. (Ja tietysti myöhemmin löydetty kvanttikenttäteoria tekee niin myös.)
Menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei tästä sen enempää.
Harmi ettei kvanttigravitaatiolla ole ennusteita. Gravitonin etsiminen lienee turhaa. Kvanntifysiikka varmasti esiintyy singulariteetissa, mutta siitä ei koskaan saada ennnustettavia havaintoja. Singulraariteetin romahdus kestäisi ikuisesti joten voidaan ajatella että niitä ei ole toistaiseksi syntyntyt.
Ei singulariteetin syntyminen mustissa aukoissa yleisen suhteellisuusteorian mukaan kestä ikuisesti.
Ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta aikahan hidastuu loputtomasti
Kun musta aukko on muodostunut, mustan aukon ulkopuolella sen suhteen paikallaan olevan ja sinne vapaasti putoavan kellojen käynnin ero on tosiaan ääretön putoajan ylittäessä tapahtumahorisontin. (Ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta putoaja ei siis koskaan saavuta tapahtumahorisonttia.)
Tämä ei tarkoita sitä, että tapahtumahorisontin tai singulariteetin muodostuminen kestäisi äärettömän kauan.
Mitä nämä blogit olisivatkaan ilman lukijoiden kommentteja ja nihin annettuja vastauksia! Tosin vastauksia en aina ymmärrä. Useankaan lukemisen jälkeen en oivalla, mitä tarkoittaa bloginpitäjän viimeisen vastaksen kohta: ”….mustan aukon ulkopuolella sen suhteen paikallaan olevan ja sinne vapaasti putoavan kellojen käynnin ero on tosiaan ääretön putoajan ylittäessä tapahtumahorisontin”? Voisiko tuon sanoa selkokielellä?
Vastauksia ei ole aina kirjoitettu siten, että ne ovat ymmärrettäviä kaikille, ainoastaan kysyjälle, koska asian avaaminen voisi olla kokonaan oma merkintänsä.
Mutta selitettäköön nyt. Gravitaatio vaikuttaa kellojen käyntiin. Mitä voimakkaampi gravitaatiokenttä, sitä hitaammin kellot käyvät. Tämän takia esim. GPS-satelliittien kellot käyvät nopeammin kuin kellot Maan pinnalla. Mustien aukkojen tapahtumahorisonttia lähestyttäessä tämä ero kasvaa rajatta. Kellon käynti riippuu myös havaitsijan liikkeestä. Vapaasti putoava havaitsija ohittaa tapahtumahorisontin äärellisessä ajassa, ulkopuolella paikallaan olevan havaitsijan kellon mukaan putoaja ei koskaan saavuta tapahtumahorisonttia, koska liikkuu aina vain hitaammin.
Minulle sana ääretön herättää aina kysymysmerkin. Se on matemaattisesti yhtä fundamentaali kuin valonnopeus fysiikassa (mikä sekin riippuu väliaineesta). Mikä tahansa luku kerrottuna äärettömällä antaa vastaukseksi ääretön. Ei ole olemassa 0,1 x ääretön tai 2 x ääretön. Vastaus on aina ääretön, ei enempää eikä vähempää.
Vaikka tämä ei liity blogin aiheeseen, niin esim. äärettömässä universumissa on jossain joku kolkka, jossa joku kirjoittaa samanlaisessa huoneessa samaa tekstiä kuin minä sama taulu seinällä. Jos se on mahdollista kerran, se on mahdollista toisenkin kerran, ja äärettömyydessä niin ei tapahdu kahdesti, vaan äärettömän monta kertaa. Ja kaikki muut vaihtoehdot toteutuvat myös äärettömän monta kertaa.
Jos kellon käyntien ero on ääretön (Kun musta aukko on muodostunut, mustan aukon ulkopuolella sen suhteen paikallaan olevan ja sinne vapaasti putoavan kellojen käynnin ero on tosiaan ääretön putoajan ylittäessä tapahtumahorisontin), niin mihin se oikeastaan vastaa ja jos matematiikka antaa vastauksen ääretön, niin pitääkö fysiikan totella matematiikkaa?
En pidä sanasta ääretön.
Se, että jokin asia on ääretön ei tarkoita sitä, että se sisältäisi kaiken mahdollisen. Jos avaruus on ääretön (ei tiedetän onko näin), tämä ei tarkoita sitä, että kaikki mahdollinen tapahtuu jossain.
Valonnopeus (eli suurin mahdollinen signaalinopeus) on eri asia kuin valon nopeus (nopeus jolla sähkömagneettiset aallot kulkevat) ks. https://www.tiede.fi/blogit/maailmankaikkeutta_etsim assa/luonnottomia_lokeroita
Menee sen verta ohi merkinnän aiheesta, että ei tästä tämän enempää.
Kiitos vastauksesta. Äärettömyys on toki hankala ymmärtää. Onko tapahtumahorisontin kohdalla aika-avaruudessa jonkinlainen epäjatkuvuuskohta, jos infidesimaalinen siirtymä aiheuttaa äärettömän hypyn kellon käymisessä? Sanoit, että ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta tapahtumahorisonttia ei koskaan saavuteta. Kun musta-aukkoon syöksyy materiaa, niin eikö havaintojen persuteella kuitenkin sitä päädy kuitenkin tapatumahorisontin sisälle?
Ero kellojen käynnissä kasvaa jatkuvasti rajatta tapahtumahorisonttia lähestyttäessä.
Ulkopuolisen havaitsijan näkökulmasta mikään kappale ei voi saavuttaa tapahtumahorisonttia äärellisessä ajassa. Mutta koska kappaleen lähettämä ja paikallaan olevan havaitsijan vastaanottama valo venyy rajatta kappaleen lähestyessä tapahtumahorisonttia, kappale häviäää näkyvistä äärellisen ajan kuluessa.
Asiaa monimutkaistaa se, että kappaleet muuttavat mustan aukon tapahtumahorisonttia. Pienet kappaleet hyvin vähän, mutta kahden mustan aukon törmäyksessä niiden tapahtumahorisontit muuttuvat kokonaan ja sulautuvat yhteen.
Hawking itsekin päätyi lopulta epäilevälle kannalle mustien aukkojen suhteen. Tapahtumahorisonttikäsite tuntuisi ólevan perustavanlaatuisessa ristiriidassa myös gravitaatioaaltoilmiön kanssa. Nehän generoituvat ainakin osin käyttäen singulariteettien massaenergiaa, ja niiden välittämää informaatiota tarkkaillaan kiinnostuneina, myös mustien aukkojen sisäisen rakenteen arvioimiseksi. Vai olisiko niin että kosmologian informaatiokäsitteessäkin olisi selventämisen tarvetta?
Singulariteeteilla ei ole mitään tekemistä mustien aukkojen törmäysten synnyttämien gravitaatioaaltojen kanssa. Singulariteetit ovat (oletettavasti) piilossa tapahtumahorisonttien takana, eivätkä vaikuta ulkopuolisen maailman tapahtumiin mitenkään.