Piikit ja railot
Pimeä aine on paras selitys monille kosmologisille havainnoille, kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuuksista tähtien liikkeisiin galakseissa, ja sen ennusteet ovat pitäneet hyvin paikkansa.
Pimeälle aineelle on taasen monia selityksiä. On esitetty satoja malleja sille, millaisista hiukkasista pimeä aine koostuu, kuten supersymmetriset nynnyt, teknivärihiukkaset, aksionit, steriilit neutriinot (lempiehdokkaani pimeän aineen hiukkaseksi), ja niin edelleen.
Tai sitten ei ole mitään pimeä aineen hiukkasta, vaan kyse on mustista aukoista. Stephen Hawking oli vuonna 1971 ensimmäinen, joka ehdotti tätä. Hän oli aikaansa edellä: 1970-luvun alussa monet tutkijat eivät ottaneet pimeää ainetta vakavasti. Tuolloin ei myöskään vielä tiedetty, mitä maailmankaikkeuden alkuhetkinä oli tapahtunut. Tämän takia ei ollut vankkaa pohjaa ideoille siitä, miten nämä mustat aukot olisivat syntyneet. Ne eivät voi olla peräisin tähtien romahduksesta, koska pimeä aine on vanhempaa kuin tähdet.
Tilanne muuttui 1980-luvulla, kun kosmisen inflaation teoria kehitettiin. Inflaatio tarkoittaa avaruuden kiihtyvää laajenemista varhaisessa maailmankaikkeudessa. Inflaatiossa hiukkasfysiikan pienen mittakaavan kvanttivärähtelyt venyvät kosmisiin mittoihin. Inflaation jälkeen galaksit ja muu rakenne tiivistyy näiden tihentymien ympärille. Nykynäkökulmasta tuntuu luonnolliselta, että samalla voi syntyä epätasaisuuksia, jotka toimivat pienten rakenteiden kuten mustien aukkojen siemeninä.
Kesti kuitenkin yli kymmenen vuotta, vuoteen 1994 asti, ennen kuin mustat aukot ja inflaatio yhdistettiin tällä tavalla. Sen laskeminen, paljonko mustia aukkoja inflaation tuloksena syntyy, onkin sitten osoittautunut sen verta monimutkaiseksi, että asiasta ei ole varmuutta vieläkään, 30 vuotta myöhemmin. Paljon on kuitenkin edetty, ja viimeisimmässä artikkelissamme Sami Raatikainen, Eemeli Tomberg ja minä ratkaisimme osan ongelmasta – tai osoitimme että onkin luultua enemmän ongelmia ratkaistavana, miten asian nyt haluaa nähdä.
Inflaation loputtua alueet, joihin on pakkautunut kovasti ainetta romahtavat mustiksi aukoiksi. Se paljonko tällaisia alueita on ja paljonko niissä on massaa riippuu siitä, miten inflaatio tismalleen tapahtuu. Kuten pimeälle aineelle, myös inflaatiolle on lukuisia erilaisia malleja. Käytännössä halutaan rakentaa sellainen malli, joka tuottaa sopivasti mustia aukkoja selittämään pimeän aineen, samalla kun se synnyttää havaintojen mukaiset galaksien siemenet.
Vaikeutena on se, että mustien aukkojen tuottamiseen tarvitaan isoja epätasaisuuksia, jotka sitten vaikuttavat siihen, miten inflaatio tapahtuu. Inflaatiomalleissa, joissa ei haluta tuottaa mustia aukkoja vaan ainoastaan galakseja, epätasaisuudet ovat pieniä. Tällöin inflaation tarkastelu on kuin tyynellä järvellä liikkuvien heikkojen aaltojen laskemista. Järven pinta määrittää miten aallot liikkuvat, mutta pinnan käytös on yksinkertaista, eivätkä aallot vaikuta siihen. Kun aallot ovat isoja tyrskyjä, jotka vaikuttavat pinnan käytökseen, niiden toisiinsa kytkeytyneiden liikkeen laskeminen on vaikeaa. Sama pätee inflaatiota ajavaan kenttään ja sen värähtelyihin.
Vuonna 2020 Sami, Eemeli ja yhteistyökumppanimme Daniel Figueroa ratkaisimme osan tästä ongelmasta. Laskimme supertietokoneilla pinnan ja tyrskyjen –eli inflaatiota ajavan kentän keskiarvon ja poikkeamien– yhteisen kehityksen. Koska kvanttifluktuaatiot ovat isoja, inflaatio voi kulkea eri tavoilla, eli mustaksi aukoksi mahdollisesti romahtavan alueen tiheys voi olla hyvin erilainen.
Mustien aukkojen tekeminen on vaikeaa: vain hyvin äärimmäiset ja harvinaiset aineen tihentymät romahtavat mustiksi aukoiksi. Tämän takia laskimme inflaation kulun sata miljardia kertaa saadaksemme kiinni tiheysvaihteluiden todennäköisyysjakauman hännästä, josta mustia aukkoja syntyy. Osoitimme, että mustia aukkoja syntyy noin satatuhatta kertaa enemmän kuin silloin kun tyrskyjen vaikutusta pinnan kehitykseen ei oteta huomioon.
Uudessa artikkelissa Sami, Eemeli ja minä tutkimme mitä tapahtuu yhden mahdollisesti romahtavan alueen sisällä. Tai siis, koska vaihtelut ovat isoja ja siis kaikki tapaukset hyvin erilaisia, tutkimme miljardia aluetta, mutta yksi kerrallaan. Aiemmin oli oletettu, että massajakauma tällaisessa alueessa on kuin tasainen kumpu. Käytimme taas supertietokoneita sen laskemiseen, miltä massajakauma oikeasti näyttää. Jaoimme jokaisen alueen noin kymmeneen tuhanteen siivuun saadaksemme hienosyisen kuvan siitä, miten massa on jakautunut.
Tuloksena on se, että massajakauma ei ole sileä kumpu, vaan täynnä teräviä piikkejä ja syviä railoja, koska kvanttivärähtelyt ovat luoneet massaa sinne tänne. Musta aukko syntyy kun tietyn säteen sisällä on tarpeeksi massaa, ja laskujemme mukaan näiden satunnaisten piikkien takia niin käy miljardi kertaa useammin kuin mitä oli luultu.
Kaikkiaan siis mustia aukkoja olisi satatuhatta miljardia kertaa luultua enemmän, eli inflaatiomalleja pitäisi säätää siten, että niitä syntyy vähemmän Mutta tarina ei lopu tähän.
Avaruuden kiihtyvän laajenemisen takia inflaation aikana tyrskyt jäätyvät paikalleen. Kun inflaatio loppuu, ne heräävät taas henkiin ja tarpeeksi isot massakeskittymät romahtavat mustiksi aukoiksi. Seuraavaksi siis simuloimme, miten nuo railojen ja piikkien halkaisemat massajakaumat todella liikkuvat gravitaation ja paineen kamppaillessa. Aiemmat simulaatiot muinaisten mustien aukkojen romahtamisesta ovat perustuneet sileille jakaumille, jotka eivät ollenkaan vastaa todellisuutta. Ne pitää laittaa uusiksi, ja olemme vasta aloittamassa tätä työtä.
Myös siinä, paljonko massaa tihentymiin kertyy, eli mikä on mustan aukon massa, on tulostemme mukaan paljon vaihtelua. Jos kaikki pimeä aine koostuu mustista aukoista (eikä niistä jäljelle jääneistä pienistä nokareista) ainetta, havaintojen mukaan niiden mahdollinen massa on tarkkaan rajattu suunnilleen asteroidin massaksi. Muuten ne olisi jo nähty. Jos massajakauma osoittautuisi aina liian laajaksi havaintoihin, ajatus mustista aukoista pimeänä aineena pitäisi hylätä.
Lopulta havainnot ratkaisevat. Joko nämä mustat aukot löydetään ja niiden massat kertovat meille varhaisen maailmankaikkeuden tapahtumista, missä ne ovat syntyneet. Tai sitten osoittautuu, että pimeä aine ei voi koostua mustista aukoista, mikä olisi vahva todistusaineiston palanen pimeän aineen hiukkasten olemassaolon puolesta.
Tuttavani, maallikko niinkuin minäkin, oli kuullut mustista aukoista, oli miettinyt asiaa ja tullut siihen tulokseen, että sellaisia ei meidän maailmassamme voi olla. Sillä jos on totta, että aika pysähtyy tapahtumahorisontissa, ei mitään tapahtumahorisonttia meidän ajassamme ja maailmassamme ehdi koskaan muodostua, vaan kaikki mikä on menossa oletettuun mustaan aukkoon lähestyy ikuisesti rajaa, jota ei vielä ole edes olemassa. Siis meidän näkökulmastamme, joka tarkoittaa sitä maailmaa, jossa elämme. Voi olla, että tuttavani logiikka ontuu jossain kohdassa, mutta maallikko kun olen, en ymmärrä missä kohdassa.
Tämä nyt meni ehkä vähän sivuun aiheesta, mutta voisitko jossain vaiheessa blogissasi selvittää hieman ongelmaa, joka ainakin minua on pitkään askarruttanut sen jälkeen kun tuttavani kertoi siitä minulle. Internetissä asiaa käsitellään paljonkin, mutta itseäni tyydyttävää ratkaisua en ole vielä löytänyt. Olisi myös mielenkiintoista tietää, onko ratkaisu yksinkertainen vai monimutkainen.
Ennen tapahtumahorisontin muodostumista aikadilataatio ei ole ääretön. Tapahtumahorisontin muodostumisessa kestää äärellinen aika.
”tutkimme miljardia aluetta, mutta yksi kerrallaan, ja Jaoimme jokaisen alueen noin kymmeneen tuhanteen siivuun … ja eli miljardi kertaa kymmenen tuhatta ja nämä yksi kerrallaan. ja massajakauma ei ole sileä kumpu, vaan täynnä teräviä piikkejä ja syviä railoja ja laskujemme mukaan näiden satunnaisten piikkien takia niin käy miljardi kertaa useammin kuin mitä oli luultu”.
Ei ihme, että kosmologia tänään on supertietokonehommaa. Meinaan, ideoita ja laskentatehoa ja laskijoitakin kyllä riittää. Melkein toivoisi, että se pimeä aine sittenkin olisi jonkin sortin hiukkanen (kevyt tai painava). Supersymmetria olisi hyvä yritys mutta lienee nyttemmin lässähtänyt (kunnei LHC:kaan mitään näytä löytävän).
Sanot, että musta aukko voisii olla vain asteroidin massainen. Tiheytensä vuoksi kuutiosentti mustaa aukkoa painaa puolet Maan massasta, joten asteroidin massaisen mustan aukon koko täytyy olla todella pieni, ehkä alkeishiukkasiakin pienempi. Vai olenko ymmärtänyt jotain väärin?
Auringon massaisen mustan aukon säde on 3 kilometriä, ja säde on suoraan verrannollinen massaan. Asteroidin massaisten mustien aukkojen massa voi olla jotain väliltaä 10^(-15)…10^(-11) Auringon massaa, eli koko väliltä 10^(-12)…10^(-8) metriä. Siis jotain isojen molekyylien ja atomiytimen väliltä.
Jos pimeä aine on mustien aukkojen höyrystymisestä jääneitä nokareita, niiden odotettu massa on noin mikrogramma ja koko noin 10^(-35) metriä.
Miten iso musta aukko voitaisiin havaita? Esim maahan osuessaan alkaisi syömään materiaa?
Todennäköisyys, että musta aukko törmäisi maahan on erittäin pieni.
Mustien aukkojen havaitsemisesta: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/rajoituksia-monesta-suunnasta/
Onko järkevän epäilyn piirissä, että Hawkingin säteilyn energia olisikin väärinymmärrys, esim. gravitaation pintakiihtyvyyteen liittyvää tasapainediversiota tms, eikä höyrystymistä tapahtuisi, jolloin hyvin pienetkin aukot voisivat säilyä?
Hawkingin säteily ei ole ”väärinymmärrys”. Se on kvanttikenttäteorian ja gravitaation yhteinen ennustus, joka on vakaalla pohjalla, mutta jota ei ole kokeellisesti varmennettu. On siis mahdollista, että mitään höyrystymistä ei tapahdu. Joka tapauksessa ennuste ei päde enää kun aukko on hyvin pieni, eli ei ole vakaata ennustetta sille mitä höyrystymisen loppuvaiheilla tapahtuu.
Mitä tarkoittaa ”mustien aukkojen höyrystymisestä jääneitä nokareita”? Mitä nokareita niistä jää jäljelle? Eikö ne höyrystykään kokonaan?
Ei edes teoreettisesti tiedetä, mitä höyrystymisen loppuvaiheilla tapahtuu. Kokeellisesti höyrystymistä ei ole ollenkaan varmistettu, mutta sitä pidetään luotettavana ennustuksena.
Tarkemmin: https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/konservatiivisuuden-nokareet/
Miten noiden kvanttivärähtelyiden voimakkuun on riippuvainen avaruuden koosta? Entä voisiko valtamerten ns. ryöstöaaltoilmiö liittyä mustien aukkojen tehtailuun, kun pienet aaltoset superpositioivat harvinaisen jättiaallon?
Ei mitenkään. Emme tiedä onko maailmankaikkeud ääretön vai äärellinen, mutta se on joka tapauksessa paljon isompi kuin nämä mustat aukot.
En ymmärrä kysymystäsi aalloista.
Onko Hawkingin säteilyn kontra ma:oon sisääntulevan hiukkas- ja säteilyenergian tasetta arvioitu? Siitä kai riippuu onko Hawkingin säteily ylipäätään missään merkittävässä rooliissa ma:n massan muutosten osalta?
Sen jälkeen kun tällainen pieni musta aukko syntyy sen massa kasvaa siihen putoavan aineen takia nopeasti tekijällä muutama tai ehkä 20. Sen jälkeen siihen ei juuri putoa ainetta. Hawkingin säteily alkaa olla merkittävä vasta myöhemmin.
Ehtisitkö kommentoida jossain vaiheessa tätä tuoretta artikkelia kvanttifysiikan ja suhteellisuusteorian yhdistämisestä, onko tässä löydetty jotain todella uutta vai onko näitä samoja ajatuksia kehitelty jo aiemmin?
”On the same origin of quantum physics and general relativity from Riemannian geometry and Planck scale formalism” https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927650524001130
Ei ole kommentoimisen väärti. Tämä on esimerkki ilmiöstä, missä muuten hyvissä astrofysiikan lehdissä julkaistaan suhteellisuusteoriasta ja kvanttifysiikasta hölynpölyä, joka ei menis alan lehdissä ikinä läpi.