Kosmokseen kirjoitettua

Kasvun rajat

31.10.2024 klo 00.20, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Viime viikolla Bastián Reinoso Helsingin yliopistosta puhui Helsingin yliopiston fysiikan osaston kosmologiaseminaarien sarjassa mustiin aukkoihin liittyvästä ongelmasta: miten ne ovat paisuneet niin isoiksi niin nopeasti?

Monen galaksin ytimessä on hyvin massiivinen musta aukko. Niistä tuli maailmankuuluja, kun Event Horizon Telescope vuonna 2019 kuvasi galaksin M87 keskustan ja vuonna 2022 Linnunradan keskustan mustan aukon, ja kun Linnunradan mustan aukon löytäminen palkittiin Nobelilla vuonna 2020.

Linnunradan ja Galaksin M87 mustien aukkojen massat ovat neljä miljoonaa ja kuusi miljardia Auringon massaa. Niillä on ollut kauan aikaa kasvaa, Linnunrata kun on yli 13 miljardia vuotta vanha. Mutta tällaisia raskaan sarjan mustia aukkoja nähdään myös varhaisina aikoina.

Jo 1990-luvulla havaittiin hyvin massiivisia mustia aukkoja, jotka olivat muodostuneet maailmankaikkeuden ensimmäisen noin miljardin vuoden aikana. Laitteiden parantuessa niitä on nähty yhä aikaisempina aikoina. Viimeisimpänä ongelmaa on syventänyt vuonna 2021 laukaistu James Webb Space Telescope. Se on nähnyt monia mustia aukkoja, joista varhaisimman massa oli jotain kymmenestä miljoonasta sataan miljoonaan Auringon massaan jo maailmankaikkeuden ollessa 500 miljoonan vuoden ikäinen.

Joidenkin havaintojen tulkinnasta vielä kiistellään, mutta kokonaiskuva on selvä: varhaisina aikoina on odotettua enemmän odotettua isompia mustia aukkoja. Reinoso kävi läpi erilaisia mahdollisia selityksiä.

On yksi tapa tehdä mustia aukkoja, josta olemme varma: tähtien romahdus. Tähtien synnyssä kestää ensin noin sata miljoonaa vuotta, ja kun ne sitten ovat syntyneet, pitää odottaa että ne kuolevat. Ensimmäiset tähdet ovat hyvin erilaisia kuin nykyiset, koska niissä oli vain vetyä ja heliumia – raskaammat alkuaineet syntyvät myöhemmin tähtien ytimissä, räjähdyksissä ja törmäyksissä. Nämä tähdet ovat raskaita, kymmenen ja jokusen sadan Auringon massan väliltä, ja lyhytikäisiä – ne elävät vain miljoona vuotta. Kuollessaan ne valahtavat mustiksi aukoiksi.

Musta aukko voi sitten kasvaa ahmimalla lähellä olevaa ainetta, mutta kasvulla on rajansa. Mitä enemmän mustaan aukkoon virtaa ainetta, sitä isompi on tämän aineen säteilyn paine, joka puskee ainetta ulospäin ja estää sitä putoamasta. Tästä seuraa yläraja sille, miten nopeasti musta aukko voi ainetta kiskoa.

Tämän fyysikko Arthur Eddingtonin mukaan nimetyn rajan mukaan varhaisilla mustilla aukoilla kestää noin 30 miljoonaa vuotta kaksinkertaistaa massansa. Tämä on tuhottoman hidasta: 400 miljoonassa vuodessa tähden massa kasvaisi vain tuhatkertaiseksi, eli lopullinen massa olisi kenties tuhat tai kymmenentuhatta Auringon massaa, aivan liian vähän.

On erilaisia tapoja ylittää Eddingtonin raja. Esimerkiksi jos aine virtaa aukkoon eri suunnista kuin mihin säteily puskee, niin aukkoa voi syöttää nopeammin. Valitettavasti varhaisten mustien aukkojen ympärillä ei taida olla näin.

Päinvastoin, simulaatiot näyttävät että mustat aukot tyypillisesti kasvavat paljon hitaammin kuin mitä Eddingtonin raja sallisi, koska niiden ympärillä ei ole tarpeeksi ainetta. Mustat aukot vaeltavat syntygalaksissaan kaasupilvien läpi pysähtymättä, eivätkä ehdi ottaa matkalla suupalaa. Mustan aukon pitäisi olla vähintään kymmenen tuhannen Auringon massan kokoinen alun alkaenkin, jotta se saisi vedettyä ainetta tarpeeksi tehokkaasti.

Jos mustat aukot eivät voi kasvaa riittävän nopeasti, niin ainoa vaihtoehto on, että ne syntyvät isompina.

Yksi mahdollinen tapa tehdä isoja mustia aukkoja on törmäyttää monta tähteä yhteen. Jos tähtiä syntyy tiheään, ne voivat törmätä ja romahtaa suoraan tuhannen tai kymmenentuhannen Auringon massan massaiseksi mustaksi aukoksi.

Toinen mahdollisuus on se, että iso kaasupilvi romahtaa valtavaksi tähdeksi, jonka massa on jotain kymmenentuhannen ja miljoonan Auringon massan välillä, joka sitten pikaisesti romahtaa mustaksi aukoksi.

Ongelmana on se, että yleensä gravitaatio tiivistää kaasua monissa eri paikoissa ja synnyttää siksi useita pieniä tähtiä, ei yhtä jättiläistä. Tähdet syntyvät siten, että kaasu jäähtyy ja voi siksi tiivistyä gravitaation vetämänä. Jäähtymiseen tarvitaan molekyylejä, jotka voivat säteillä kaasun energiaa pois. Niinpä tähtien syntymistä voi rajoittaa siten, että alueella on paljon säteilyä, joka rikkoo molekyylit. Mutta tällaista säteilyä tulee vain tähdistä, joiden muodostumista on juuri tarkoitus estää.

Ristiriidan voi ratkaista siten, että säteily tulee galaksin kiekosta, ja musta aukko taasen syntyy galaksia kiertävässä satelliitissa. Kun kiekkoon muodostuu paljon tähtiä, niiden säteily estää satelliittia muodostamasta pieniä tähtiä. Reinoso on tutkinut tapahtumien kulkua simulaatioissa, ja näyttää siltä, että järjestely voi todella toimia, kunhan tällainen ympäristö löytyy.

Sitten pitää vielä saada massiiviset mustat aukot raahattua tarpeeksi nopeasti galaksin keskustaan, missä niitä havaitaan, eikä ole vielä selvää, miten tämä tapahtuu.

Kaikkiaan nämä selitykset vaikuttavat monimutkaisilta. Tämä ei tarkoita sitä, etteivätkö ne voisi olla oikein: jotkut asiat ovat monimutkaisia. Mutta voi myös olla, että mustat aukot eivät ole syntyneet tähtien kautta, vaan ennen niitä, ensimmäisen sekunnin aikana suoraan isoista aineen tihentymistä. Nämä muinaisia mustia aukkoja synnyttävät tihentymät saattavat olla peräisin kosmisesta inflaatiosta, kuten galaksien siemeninä toimivat paljon heikommat tihentymät. Olen itse tutkinut tätä vaihtoehtoa.

James Webb -avaruusteleskooppi on nähnyt myös ”pieniksi punaisiksi täpliksi” nimettyjä ilmiöitä, eli pieniä punaisia täpliä, jotka ovat hyvin kirkkaita ja hyvin kaukana. Ei vielä ymmärretä, mitä ne oikein ovat. On ehdotettu, että kyseessä on mustien aukkojen ympärille kertyneen aineen säteily. Jos tämä pitää paikkansa, isoja mustia aukkoja on varhaisina aikoina enemmän kuin mitä yllä mainitut tähtiin liittyvät selitykset ennustavat.

Tätä voisi pitää todistusaineiston palasena sen puolesta, että kyse on ennen tähtiä syntyneistä muinaisista mustista aukoista – tai sen, että tarvitaan parempia malleja siitä, miten kaasu ja tähdet varhaisina aikoina kehittyvät ja romahtavat. Varmaa on ainakin se, että koko ajan tarkentuvat havainnot osoittavat lähitulevaisuudessa suurimman osan nykyisistä selityksistä vääriksi.