Kohti viimeistä rajaa
Mustat aukot ovat olleet osa yleisen suhteellisuusteorian historiaa alusta alkaen. Albert Einstein ja David Hilbert hahmottivat teorian lopullisen muodon marraskuussa 1915. Ei kestänyt kuin kuukausi kun ensimmäisessä maailmansodassa Saksan itärintamalla palvellut Karl Schwarzschild löysi mustia aukkoja kuvaavan ratkaisun, joka nykyisin kantaa hänen nimeään. Tämä oli teorian yhtälöiden ensimmäinen täsmällinen ratkaisu. Se jäi Schwarzschildin tunnetuimmaksi saavutukseksi: hän kuoli puolen vuoden kuluttua mahdollisesti rintamalla saamaansa tautiin.
Aluksi mustia aukkoja pidettiin teoreettisina kummajaisina, joilla ei ole tekemistä todellisuuden kanssa. Ensimmäistä osviittaa toiseen suuntaan saatiin 1920-30-lukujen vaihteessa. Silloin joukko tutkijoita, tunnetuimpana Subrahmanyan Chandrasekhar, osoitti että tavallisesta aineesta koostuvat tähdet eivät voi olla vakaita, jos niiden massa on yli 1.4 Auringon massaa. Neutronitähdet voivat olla ehkä noin tuplasti raskaampia. Tämän johtopäätöksen hyväksymisessä meni aikansa, koska se tarkoittaa, että mikään ei voi pysäyttää tähden luhistumista, joten syntyy musta aukko, joita pidettiin liian kummallisina. Nykyään tulokseen suhtaudutaan tismalleen päinvastoin: se osoittaa, että mustat aukot ovat yleisiä.
Sitten 1950-luvun lopulta alkaen hahmotettiin, että mustat aukot eivät ole synkkinä yksin, vaan niiden ympärillä on kaikenlaista elämöintiä. 1960-70-luvulla ymmärrettiin, että galaksien keskustoissa lymyävät jättimäiset mustat aukot toimivat kvasaareina tunnettujen kirkkaiden purkausten energialähteenä. Nykyään tiedetään, että monien galaksien keskustassa on valtava musta aukko, joka kehittyy yhdessä galaksin kanssa.
Pitkään havainnot mustista aukoista perustuivat epäsuoraan päättelyyn: havaittiin pienessä tilassa oleva massiivinen kappale, joka ei lähetä valoa, eikä tiedetty mikä muukaan se voisi olla (vaikka jotain ideoita esitettiinkin).
Tilanne muuttui vuonna 2015, kun gravitaatioaaltojen avulla kuultiin mustien aukkojen yhtyvän toisiinsa, ja nyt törmäysten havaitsemisesta on tullut rutiinia. Gravitaatioaaltojen avulla on toistaiseksi havaittu sellaisia mustia aukkoja, joiden massa on noin kymmenen Auringon massaa, ja jotka ovat oletettavasti syntyneet tähtien romahtaessa. 2030-luvulla laukaistavaksi kaavailtu satelliittikolmikko LISA pystyy saamaan haaviin kaukaisten galaksien keskustoiden mustien aukkojen sulautumisesta syntyviä aaltoja.
Sitä ennen apajille ehtii Event Horizon Telescope, joka nimensä mukaisesti pyrkii napsaisemaan kuvan naapurustomme mustien aukkojen tapahtumahorisontin ympäristöstä. Tapahtumahorisontti on viimeinen raja, josta ei ole paluuta, yksisuuntainen pinta, jonka jälkeen on pakko kulkea alaspäin kohti keskustaa samalla vääjäämättömyydellä kuin millä mustan aukon ulkopuolella liikkuu ajassa aina eteenpäin.
Tapahtumahorisontin näkeminen on vaikeaa, koska se on tähtitieteellisessä mittakaavassa pieni. Linnunradan keskustassa oleva mustan aukon massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa, ja tapahtumahorisontin säde on 25 miljoonaa kilometriä. Tämä on kuudesosa Maan ja Auringon välisestä etäisyydestä. Koska musta aukko taivuttaa valoa, se näyttää 2.6 kertaa isommalta, ja itse asiassa yhdestä suunnasta voi nähdä aukon taakse asti, koska valo ei kulje suoraan.
Linnunradan keskusta on vajaan 30 000 valovuoden päässä, joten tapahtumahorisontin koko taivaalla on vain asteen sadasmiljoonasosa. Vertailun vuoksi, saman kokoiselta näyttää atomi huoneen toisella puolella ja omena Kuussa. Tämän erottamiseen, vieläpä Linnunradan keskustan pölyn läpi, tarvittaisiin teleskooppi, jonka koko on mielikuvitukselliselta kuulostava 5 000 kilometriä. Event Horizon Telescope on tällainen teleskooppi.
Maapallon harmillisen pienen säteen takia yksittäistä noin isoa teleskooppia ei tietenkään voi Maan päälle rakentaa. Event Horizon Telescope kiertää ongelman yhdistelemällä eri puolilla Maapalloa sijaitsevia teleskooppeja, jotka katsovat kohdetta samaan aikaan, muodostaen yhden jättimäisen havaintolaitteen. Tässä on omat ongelmansa, kuten se, että havaintojen tekeminen on mahdollista vain silloin, kun kaikkien kahdeksan eri mantereilla sijaitsevan teleskoopin yllä on kirkas taivas. Teleskooppi sai kuitenkin viime vuonna kerättyä kahden yön verran havaintoja Linnunradan keskustasta ja toisen mokoman galaksin M87 ytimestä. M87 on 50 miljoonan valovuoden päässä meistä, tuhat kertaa kauempana kuin Linnunradan keskusta, mutta sen musta aukko on vastaavasti tuhat kertaa massiivisempi, joten se on taivaalla saman kokoinen.
Teleskooppien havaintojen yhdistäminen vaatii huolellista analyysiä, ja kuvien odotetaan olevan valmiita myöhemmin tänä vuonna. Galaksin M87 mustan aukon ympärillä pitäisi näkyä lähellä valonnopeutta kieppuva kiekko ainetta ja siitä syntyvä hiukkassuihku. Linnunradan musta aukko sen sijaan viettää hiljaiseloa ahmittuaan kaikki käsillä olevat kappaleet, joten tapahtumahorisontin tienoo voi erottua tarkemmin.
Mustat aukot tapahtumahorisontteineen ovat tulleet tunnetuksi elokuvasta Interstellar. Elokuvan yhteydessä hehkutettiin, että siinä on ensimmäinen realistinen simulaatio mustasta aukosta. Itse asiassa ensimmäiset kuvat mustista aukoista ainekiekkoineen laski ja toteutti Jean-Pierre Luminet vuonna 1978. Siitä tehtiin lyhyt video vuonna 1991, joka havainnollistaa sitä, miltä mustaan aukkoon putoaminen näyttää. Pian pääsemme vertaamaan näitä 40 vuoden takaisia kuvia havaintoihin tapahtumahorisontin liepeiltä.
Olen aina ihmetellyt, että miten se aihe siellä mustan aukon sisällä pakkautuu. Jos alkeishiukkaset menevät tiiviiseen kasaan, niin silloinhan niiden paikan jakaumat lähestyvät nollaa ja Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen mukaan liikemäärän jakauma lähestyy ääretöntä, jolloin musta aukko ei liene ainakaan kvanttimekaniikan kannalta se kaikkein vakain tiivispakkaus. Mutta jos kvanttimekaniikka antaa periksi, niin lakkaako aine olemasta tavallista ainetta, johon kvanttimekaniikka pätee; kokeeko aine siis jonkinlaisen metamorfoosin mustan aukon sisällä?
Ei tiedetä, mitä mustan aukon sisällä tapahtuu, varsinkaan lähellä keskustaa, missä yleinen suhteellisuusteoria ei varmasti päde.
Osuvasti kiteytetty.
Vastaavasti näkökulmaa vaihtaen voimme todeta, ettei normalisoitu yleinen suhteellisuusteoria voi sisältää mustia aukkoja eikä varsinkaan sisältöistä singulariteettia. Schwarzschildin ratkaisu on siis hyvin todennäköisesti vailla kunnollista merkityksellistä pätevyysaluettaan.
Onko muita laajasti omaksuttuja teoriatulkintoja, joissa teoria itse rajoittaa pätevyysaluettaan, eivät havainnot?
En tiedä, mikä on ”normalisoitu yleinen suhteellisuusteoria”, mutta mustat aukot ovat sen pätevyysalueen rajojen sisällä, singulariteetit eivät. Schwarzschildin ratkaisulla on laaja pätevyysalue, se kuvaa esimerkiksi Maapallon aiheuttamaa aika-avaruuden kaarevuutta.
On toki lukuisia teorioita, joiden pätevyysalue tiedetään rajalliseksi sisäisten teoreettisten ongelmien takia, esimerkiksi hiukkasfysiikan Standardimalli.
Jos musta aukko kasvaa riittävän nopeasti, se myös säteilee eli ei olekaan täysin musta!
https://newatlas.com/fastest-growing-black-hole/54612/
Tuossa on kysymys siitä merkinnässä mainitsemastani asiasta, että mustan aukon ympärillä oleva aine hohtaa, ei varsinaisesti musta aukko itse.
Kuinka monta mahdollista kohdetta EHT:n operaattorien listalla on ? (mainitsit kaksi)
Vain nuo kaksi. Ne ovat ainoat tunnetut mustat aukot, joiden koko on tarpeeksi iso. (Linnunradassa on mustia aukkoja lähempänäkin kuin keskustassa, mutta ne ovat paljon pienempiä.)
Tervehdys, Syksy.
Tämä ei liity merkintään, mutta on toive tulevaksi postaukseksi, jos et ole aiemmin kirjoittanut tästä. (Ja koet aiheen mielenkiintoiseksi.)
Olet kirjoittanut paljon pimeästä energiasta ja aineesta, ja niiden yhteydessä jonkin verran myös TeVeSistä ja MONDista. En muista kuitenkaan, että olisit isommin mainostanut Erik Verlinden entrooppista gravitaatiota sekä emergenttiä gravitaatiota.
Kysymys onkin, että kuinka sinä suhtaudut noihin Verlinden papereihin ja kuinka niihin yleisemminkin suhtaudutaan fyysikoiden keskuudessa.
Jos niissä on jotain järkeä, niin olisi kiva lukea aiheesta kirjoituksesi.
En ole Verlinden entrooppiseen gravitaatioon tutustunut hänen ensimmäistä artikkeliaan pidemmälle, se ei houkuttanut seuraamaan pidemmälle.
Yleisesti ottaen emergentti gravitaatio on mielenkiintoinen idea, jota olen vain sivunnut, https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/aika-avaruuden-atomit/ . Katsotaan palaanko siihen suoremmin vielä.
Tämä tulee vähän aloituksen sivusta, mutta kun katselin noita Verlinden ideoita, niin törmäsin seuraavaan videoon, jossa visualisoidaan hienosti mustaa aukkoa: https://www.youtube.com/watch?v=8ovRZuv5Lo8&feature=youtu.be&t=21m7s
Tuossa selitetään kivasti, miksi mustaa aukkoa kiertävä aine muodostaa kuvion, joka on nähtävissä esim. Interstellar-elokuvassa, eli kyse on Einsteinin renkaasta, joka vääntää valon kulkua. Lisäksi matka mustan aukon tapahtumahorisontin sisään etäisyyden funktiona on mielenkiintoinen.
Ja koska Verlinden puhuu informaatiosta Universumin peruspalikkana, niin tuli Dr. Räsäselle spekulatiivinen kysymys: Jos termodynamiikan 2. lain mukaan informaatiolla on taipumus levitä, ja toisaalta pistemäisen hiukkasen liiketilan informaatio sisältyy paikkaan ja liikemäärään, niin voisiko ”yhden hiukkasen systeemin” entropia selittää Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen ja edelleen kvanttimekaniikan? Jos siis informaatio hiukkasen paikasta tarkentuu, niin informaatio liikemäärästä tulee hajaantua, ettei systeemin entropia vähene. Tällöin esim. vetyatomin stationaariset tilat vastaisivat systeemiä kuvaavan informaation entropian ajasta riippumattomia tasapainotiloja.
Muistutettakoon, että tämä kommenttiosio ei ole paikka omien fysiikan ideoiden esittelemiseen.