Kosmokseen kirjoitettua

Luotettava ennustus ja tiheä kappale

7.10.2020 klo 00.42, kirjoittaja Syksy Räsänen
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Ruotsin kuninkaallinen tiedeakatemia ilmoitti eilen myöntävänsä puolet tämän vuoden fysiikan Nobelin palkinnosta Roger Penroselle ”siitä löydöstä, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian luotettava ennustus” ja toisen puolen Reinhard Genzelille ja Andrea Ghezille ”superraskaan tiheän kappaleen löytämisestä galaksimme keskustasta”. (Suurelle yleisölle suunnattu selitys on täällä, tarkempi taustoitus täällä.)

Ghez on neljäs nainen, joka saa fysiikan Nobelin palkinnon. Ennen häntä olivat Marie Curie vuonna 1903, Maria Goeppert Mayer vuonna 1963 ja Donna Strickland vuonna 2018.

Tämä on toinen mustista aukoista annettu Nobelin palkinto. Se tulee pian törmäävien mustien aukkojen gravitaatioaalloista vuonna 2017 myönnetyn palkinnon jälkeen. Kuten silloin, nytkin palkinnon saavat kaksi havaintopuolen tutkijaa ja yksi teoreetikko.

Genzel ja Ghez johtavat kahta tutkimusryhmää, jotka ovat tarkkailleet Linnunradan keskustan tähtien liikkeitä 90-luvulta asti. Maapallo on 26 000 valovuoden päässä Linnunradan keskustasta, joten yksittäisten tähtien havaitseminen ja niiden liikkeiden seuraaminen tarkasti on melkoinen saavutus.

Tässä on Ghezin ryhmän 25 vuoden datasta tehty animaatio tähtien liikkeistä. Tähdet kiertävät tiheää kohdetta, jonka massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa. Lähin rata kulkee etäisyydellä, joka on muutama sata kertaa mustan aukon tapahtumahorisonttia isompi. Tämä on tarpeeksi lähellä, että yleisen suhteellisuusteorian korjaukset tähtien ratoihin on ollut mahdollista mitata, mutta niin kaukana, että mustan aukon nielusta ei saa tarkkaa kuvaa. (Galaksin M87 keskustan mustan aukon tapahtumahorisontin tienoot kuvannut Event Horizon Telescope -ryhmä on tehnyt havaintoja myös Linnunradan keskustasta, mutta data-analyysi ei ole vielä valmis.) Mutta on nähty infrapunavälähdyksiä etäisyydeltä, joka on 3-5 tapahtumahorisontin kokoinen.

Mikään tunnettu kappale ei voi olla näin tiheä ja himmeä, joten on päätelty, että kyseessä on musta aukko.

Toisin kuin vuoden 2017 palkinnon tapauksessa, teoreetikko Penrosen työ ei liity suoraan Genzelin ja Ghezin tutkimukseen, vaan on vaikuttanut merkittävästi taustalla. Penrose tunnetaan sekä matemaatikkona että fyysikkona. (Helsingin Keskuskatu on muuten päällystetty hänen kehittämällään Penrosen laatoituksella.)

Penrose on omaperäinen, kekseliäs ja matemaattisesti taitava tutkija, joka on kehittänyt monenlaisia ideoita. Nobelin palkinnon perusteeksi nostettiin se, että hän vuonna 1965 osoitti, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian väistämätön seuraus.

Ensimmäisen mustaa aukkoa kuvaava yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisun löysi fyysikko Karl Schwarzschild vain kuukausi sen jälkeen, kun fyysikko Albert Einstein ja matemaatikko David Hilbert julkaisivat yleisen suhteellisuusteorian lopullisen muotoilun. Schwarzschildin ratkaisu oli pallosymmetrinen, eli samanlainen kaikissa suunnissa. Vuosikymmeniä oli epäselvää, kuvaavatko tämän ratkaisun kummalliset piirteet todellisuutta, vai katoavatko ne, kun tarkastellaan ratkaisuja, jotka eivät ole aivan pallomaisia.

Näitä piirteitä ovat tapahtumahorisontti ja singulariteetti. Jos tarpeeksi massaa on tietyn säteen sisällä, niin mikään ei pääse pakenemaan sen sisältä, ei edes valo. Tämän säteen rajaamaa pintaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Mustan aukon keskustassa taasen on piste, jossa aika-avaruuden kaarevuus on ääretön ja yleinen suhteellisuusteoria ei päde.

Penrose osoitti lähtien hyvin yleisistä oletuksista, että kunhan tarpeeksi massaa on pakkautunut tietyn säteen sisään, niin se romahtaa mustaksi aukoksi, riippumatta siitä miten massa on jakautunut. Tämä todisti, että mustia aukkoja syntyy, jos yleinen suhteellisuusteoria pitää paikkansa. Palkinnon taustamateriaali loppuu seuraavaan muistutukseen:

“Se missä määrin tapahtumahorisontin ympäröimä musta aukon rakenne todella vastaa yleisen suhteellisuusteorian ennusteita on vielä avoin kysymys. Luonnolla voi olla yllätyksiä varastossa.”

Vuonna 1967, kaksi vuotta Penrosen tuloksen jälkeen, Stephen Hawking sovelsi samaa ideaa koko maailmankaikkeuteen. Hän osoitti että jos maailmankaikkeus laajenee, niin silläkin on jossain singulariteetti – mahdollisesti alussa. Kuten Hawkingin kuoleman jälkeen kirjoitin:

”Yhdessä Penrose ja Hawking osoittivat, että singulariteetit ovat yleinen ja oleellinen osa yleistä suhteellisuusteoria: voi sanoa, että yleinen suhteellisuusteoria ennustaa oman loppunsa (eli pätevyysalueensa rajallisuuden).”

Penrose myös keksi vuonna 1969 hänen nimeään kantavan Penrosen prosessin, jonka avulla voi kerätä energiaa pyörivistä mustista aukoista. Tämä hyvin teoreettinen idea oli sittemmin ponnahduslauta todellisten taivaalla näkyvien mustien aukkojen ympärillä pyörivien ainekiekkojen energiantuotannon ymmärtämiseen.

Penrose on myös rohkeasti esittänyt ideoita muun muassa maailmankaikkeuden alkuhetkistä, kvanttigravitaatiosta, kvanttimekaniikan ja tietoisuuden yhteydestä ja aaltofunktion romahtamisesta. (Aikoinaan ehdotin näitä Penrosen kvanttimekaniikkaan liittyviä ideoita pelin Quantum Break materiaaliksi Remedylle asiasta konsultoidessani; en tiedä mitä peliin lopulta päätyi.)

Penrose on ainoa tietämäni fyysikko, joka julkaisee merkittävää tieteellistä materiaalia suurelle yleisölle suunnatuissa kirjoissa. Onkin hämmentävää, miten paljon Penrosen edistynyttä matematiikkaa sisältäviä teoksia ostetaan.

Hän on kirjoissaan myös arvostellut valtavirtatutkimusta niin säieteorian kuin kosmisen inflaationkin osalta. Penrose on kehittänyt oman vaihtoehdon inflaatiolle, jossa maailmankaikkeuden vaiheet toistuvat alkuräjähdyksestä loppuun asti äärettömän monta kertaa. Penrose on yhdessä muiden tutkijoiden kanssa julkaissut artikkeleita, joiden mukaan kosmisessa mikroaaltotaustassa näkyy merkkejä tällaisesta aiemmasta maailmankaikkeuden ajasta. Ainakin osan artikkeleista data-analyysi tosin on huolimatonta, eikä ole kestänyt lähempää tarkastelua. Kosmisen inflaation tueksi sen sijaan on paljon havaintoja.

Menneinä vuosikymmeninä hiukkasfysiikka kahmi Nobelin palkintoja vuosi toisensa perään, mutta vuoden 2012 Higgsin löytämisen jälkeen hiukkasfysiikan Standardimallissa ei ole enää löydettävää, eikä kiihdyttimissä ole nähty mitään sen tuolta puolen. Vuoden 2017 palkinto gravitaatioaalloista, viime vuoden palkinnon Jim Peeblesille kosmologiasta mennyt puolikas ja tämän vuoden palkinto muistuttavat löytöjen tulevan nyt ennemmin taivaalta. Monet pohtivat, koska on kosmisen inflaation vuoro – ja mikä osa siitä palkitaan, kenet kutsutaan Tukholmaan ja ketkä jäävät ilman matkalippua.