Toinen donitsi
Viime torstaina Event Horizon Telescope (EHT) -tutkimusryhmä julkisti ensimmäisen kuvan Linnunradan keskustassa lymyävästä mustasta aukosta. Samalla julkaistiin ryhmän ensimmäiset tutkimustulokset siitä. Vuonna 2019 ryhmä oli tuonut julki kuvan ja tulokset galaksin M87 keskustan mustasta aukosta. Molemmat kuvat perustuvat vuonna 2017 tehtyihin havaintoihin.
EHT-ryhmän jäsen Heino Falcke puhuu etänä havaintojen tekemisestä ja merkityksestä Helsingin yliopiston Exactumin Linus Torvalds -salissa (Pietari Kalmin katu 5). Tapahtumaa voi seurata myös etäyhteyksin. (Tiedote täällä, Zoom-linkki tässä.) Paikan päällä ovat Kaj Wiik Tuorlan observatoriosta Turun yliopistosta ja Esko Keski-Vakkuri Helsingin yliopistosta. Wiik on EHT-ryhmän jäsen ja puhuu suomalaisten yliopistojen osuudesta projektissa, Keski-Vakkuri on tutkinut mustien aukkojen kvanttifysiikkaa ja puhuu niiden teoriasta. Puhujat myös vastaavat yleisön kysymyksiin. Minä juonnan tilaisuuden.
(Päivitys: Tilaisuuden nauhoitus on tässä. En juontanutkaan tilaisuutta sairastumisen takia.)
EHT:n kuvan rakentaminen ja analysoiminen Linnun radan mustasta aukosta kesti kolme vuotta kauemmin kuin galaksin M87 tapauksessa, koska Linnunradan musta aukko on pienempi. Sen massa on noin neljä miljoonaa Auringon massaa ja säde noin 12 miljoonaa kilometriä. Galaksin M87 keskustan mustan aukon massa on seitsemän miljardia Auringon massaa. Mustien aukkojen säde on verrannollinen niiden massaan, joten galaksin M87 musta aukko on vastaavasti noin tuhat kertaa niin paksu kuin Linnunradan lajitoverinsa. Linnunradan musta aukko on kuitenkin myös noin tuhat kertaa lähempänä meitä, vain noin 26 000-27 000 valovuoden päässä.
Molempien mustien aukkojen koko taivaalla on siis Maasta katsottuna suunnilleen sama: yhtä iso kuin Kuussa olevan donitsin reikä. Linnunradan mustan aukon kuvan kokoaminen kesti kauemmin siksi, että sen ympäristö muuttuu nopeammin. Mustan aukon lähellä aine kiertää lähes valonnopeudella. Mitä pienempi aukko, sitä lyhyemmässä ajassa aine pyörii sen ympäri ja sitä nopeammin kuva muuttuu. Galaksissa M87 tyypillinen aika muutokselle on viidestä päivästä kuukauteen, Linnunradan aukon tapauksessa 4-30 minuuttia. Nyt julkaistut tulokset perustuvat 32 tunnin havaintoihin. Tässä ajassa galaksin M87 jättiläinen ei juuri muutu, mutta aine ehtii kiertää Linnunradan mustan aukon monta kertaa.
Se, että mustan aukon tienoo käy läpi monta kierrosta havaintojen aikana vaikeuttaa tarkan kuvan ottamista. Toisaalta sen takia saadaan edustavampi otos systeemin kehityksestä. Näin voidaan olla varmempia siitä, että kuvassa näkyvät rakenteet ovat tyypillisiä eivätkä ohimeneviä piirteitä, joita vain sattui olemaan näköpiirissä kun kuva otettiin.
Uusi kuva näyttää päällepäin samanlaiselta kuin kolme vuotta sitten paljastettu: hohtava donitsi, jonka keskellä on musta alue. Näennäisen yksinkertaisen kuvan takana on monimutkainen prosessi.
EHT koostuu ympäri maailmaa olevista antenneista, jotka mittaavat Linnunradan keskustasta tulevaa sähkömagneettista säteilyä millimetrin aallonpituudella. Antennien havainnot nivotaan yhteen niin että ne toimivat kuin yksi Maapallon kokoinen teleskooppi. Mitä isompi teleskooppi, sitä tarkempi kuva – jos haluttaisiin nähdä vielä pienempiä yksityiskohtia, osa havaintolaitteista pitäisi lähettää avaruuteen.
Koska EHT-teleskooppeja on vain muutamassa paikassa eikä kaikkialla Maapallolla, ne kuvaavat vain osan kohteestaan. Kun Maa pyörii, teleskooppien katsoma kohta taivaalla muuttuu, ja kunkin teleskoopin näköala piirtää viivan taivaalle. Näiden viivoja pohjalta pitää sitten tehdä paras mahdollinen arvaus siitä, miltä kohde näyttää. Tieteellisessä artikkelissa on esitetty erilaisia vaihtoehtoja kuvalle, joista julkisuustarkoituksia varten on valittu yksi.
Havaintoa tulkitaan vertaamalla sitä malleihin siitä, miten hiukkaskeitto liikkuu ja vuorovaikuttaa mustan aukon ympärillä, ja miten ympäristön tähdistä vuotaa ainetta mustaan aukkoon. Linnunradassa on se etu verrattuna galaksiin M87, että Linnunradan keskustasta on paljon havaintoja eri aallonpituuksilla. Esimerkiksi tähtien liikkeet mustan aukon ympärillä on mitattu huolella, ja sen massa on määritetty niistä tarkasti. Näistä havainnoista myönnettiin vuonna 2020 Nobelin palkinto. Lähimmän tähden pienin etäisyys mustasta aukosta on noin tuhat kertaa mustan aukon säde, kun taas EHT:n erotuskyky riittää havaitsemaan noin neljän säteen kokoisia tapahtumia.
EHT:n analyysi alleviivaa sitä, miten tärkeää on yhdistää eri havaintoja samasta kohteesta, mikä on yksi nykyisen astrofysiikan ja kosmologian tärkeitä piirteitä. Tässä tapauksessa eri havaintoja on niin paljon että yksikään EHT-ryhmän tutkimista malleista mustalle aukolle ja sen ympäristölle ei pysty selittämään niitä kaikkia. EHT:n ja muiden havaintolaitteiden havainnot sopivat mallien ennusteisiin erikseen, mutta eivät yhdessä. Keskeinen ongelma on se, että mustan aukon ympäristö on rauhallisempi kuin mitä mallit ennustavat.
Toisin kuin galaksissa M87, Linnunradan mustalla aukolla ei ole näkyvää hiukkassuihkua, ja se syö vain sadasmiljoonasosan Auringon massaa vuodessa. Koska aukon ympäristössä on vähemmän ainetta, se on läpinäkyvämpi ja helpompi mitata. Toisaalta ilman suihkua aukon pyörimissuuntaa ei saada erikseen mitattua.
Mallien kyvyttömyys selittää havaintoja ei ole sikäli vakavaa, että EHT-ryhmä ei ole käynyt kaikkia mahdollisuuksia läpi, esimerkiksi läheisten tähtien ja mustan aukon kiekon vuorovaikutusta on käsitelty varsin yksinkertaisesti.
Kuten galaksin M87 kuvaa, myös uusia havaintoja voi käyttää yleisen suhteellisuusteorian testaamiseen. Yksi keskeinen kysymys on se, onko donitsin reikä todella musta aukko. Lehdistötiedotteen ja tieteellisen artikkelin vertaaminen havainnollistaa tieteellisen esityksen ja myyntipuheen välistä eroa.
Tiedotteen mukaan ryhmän tulokset tarjoavat ”ylivertaista” todistusaineistoa siitä että kyseessä on musta aukko. Tieteellisessä artikkelissa taasen kerrotaan, että vaikka on ”ylivertaista” todistusaineistoa siitä, että Linnunradan keskustassa on paljon massaa hyvin pienessä tilassa, se onko kyseessä musta aukko on vielä auki.
On hieman vaikea sanoa, milloin kysymyksen voisi sanoa ratkaistuksi. Havainnot ovat täysin sopusoinnussa yleisen suhteellisuusteorian kanssa, mutta mihin tarkkuuteen pitäisi yltää?
Yleisen suhteellisuusteorian mustan aukon ennusteiden vertaaminen kilpailijan ennusteisiin kertoo, milloin havainnot pystyvät erottamaan ne toisistaan. Onkin esitetty kokonainen eläintarha vaihtoehtoja mustille aukoille. EHT:n havaintojen perusteella voidaan sulkea pois ainakin se, että Linnuradan keskustassa olisi bosonitähti mustan aukon sijaan, ja joitakin muitakin eksoottisia vaihtoehtoja, mutta ei kaikkia. Yksikään kilpailijoista ei kuitenkaan nouse yli muiden.
Toinen mahdollisuus on testata mustien aukkojen yleisiä ominaisuuksia ja todeta jossain enemmän tai vähemmän mielivaltaisessa vaiheessa, että nyt mahdolliset poikkeamat ovat niin pieniä, että kyseessä on musta aukko.
Mustien aukkojen keskeinen ominaisuus on se, että niillä on tapahtumahorisontti, eli pinta josta voi sujahtaa ongelmitta sisään, mutta jonka takaa ei voi koskaan palata. Tavallisten kappaleiden pinta sei sijaan joko heijastaa säteilyä, tai sitten imee sitä ja säteilee toisella aallonpituudella takaisin. Linnunradan keskustan kappaleesta ei näy sen enempää heijastunutta kuin mitään muutakaan säteilyä, vaikka siihen valuu koko ajan hiljakseen ainetta. EHT:n havainnot sulkevat pois sen vaihtoehdon, että tuo kappale imisi ja säteilisi sitten eri aallonpituudella kaiken säteilyn. Ne myös sulkevat pois sen, että se heijastaisi yli 30% siihen tulevasta säteilystä.
Kaikkiaan uusista havainnosta saadut rajat poikkeamille yleisestä suhteellisuusteoriasta ovat suunnilleen kaksi kertaa niin hyvät kuin galaksin M87 mustasta aukosta ja samaa luokkaa gravitaatioaaltohavainnoista saatujen rajojen kanssa. Tosin gravitaatioaallot testaavat yleistä suhteellisuusteoriaa monipuolisemmin, koska niiden yksityiskohtiin vaikuttaa sekä se miten niitä synnyttävät kappaleet kiertävät toisiaan että se millaisia aallot ovat ja miten ne etenevät. Valokuvat mustista aukoista eivät testaa jälkimmäistä.
Vuonna 2017 EHT kuvasi Linnunradan keskustaa viisi yötä, ja nyt tehty analyysi perustuu vain kahteen. Yhtenä havaintoyönä, jota ei ole vielä analysoitu, Linnunradan mustan aukon ympäristössä näkyi lieska, mikä on erityisen kiinnostavaa. Ryhmä teki havaintoja valon kirkkauden lisäksi myös sen polarisaatiosta, mikä kertoo mustan aukon tienoon magneettikentästä. (Galaksin M87 polarisaatiohavainnot onkin jo julkaistu.) Ryhmä on myös vuoden 2017 jälkeen tehnyt lisää havaintoja paremmilla laitteilla.
Uusien havaintojen avulla on tarkoitus saada selville mustan aukon rakenteen kehitys ajassa. Toisin sanoen kuvan sijaan on luvassa elokuva, joka näyttää, mitä noilla tienoilla oikein tapahtuu – tai siis tapahtui 26 000-27 000 vuotta sitten, vähän sen jälkeen kun neandertalilaiset olivat Maassa kuolleet sukupuuttoon.
Kaikenlaisiin aihetta koskeviin kysymyksiin saa vastauksia 30. toukokuuta.
Päivitys (17/05/22): Tuotu tiedote tilaisuudesta näkyvämmin esille ja lisätty Zoom-linkki.
Päivitys (22/06/22): Lisätty linkki Heino Falcken luennon nauhoitukseen.
Aika yllättävä yhteensattuma tuo, että aukko näkyy suuntaamme renkaana – eikö olisi voinut odottaa, että keskiön lävistäisi kertymäkiekon valonlähde?
Kiekko on ohuempi kuin miltä kuvassa näyttää. Se näyttää paksulta siksi, että EHT:n tarkkuus ei riitä sen yksityiskohtien erottamiseen. En tiedä, peittäisikö kiekko mustaa aukkoa vaikka katsoisimme sitä suoraan kiekon suunnasta (mikä on epätodennäkäistä).
Ks. kuva 5 tässä EHT-ryhmän artikkelissa: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ac6674#apjlac6674f5
Elokuussahan jo Webb Telescope kääntää katseensa kohteeseen ja saanemme lisää valaistusta asiaan.
Toisin, kuin M87 kuvassa, jossa ”kirkastumat” ovat keskityneet aukon alapuolelle, niin tässä uudessä ne ovat vähän kuin kolmiona aukon ympärillä. Onko sille joku selitys?
Tosiaan. Tuo piirre näyttää vieläpä olevan suhteellisen stabiili (se näkyy eri versioissa kuvasta). En tiedä sen merkitystä.
Mitään ainettahan ei äärellisessä havaintohistoriassa voi havainnossa päästä sulkeutuneen tapahtumahorisontin läpi. Kaikkina aikoina kertynyt materiaali näkyy kuvassa säteillen eri asteisesti punasiirtyneenä.
Voisi arvella, että kyse on tuon aineksen järjestymisestä – vrt. Jupiterin napa-alueen kuusikulmiomuodostelma.
Voisiko tuo kirkkausvaihtelu antaa vihiä tapahtumahorisontin geometriasta? Jos kuvan keskellä möllöttäisi vain symmetrinen musta pallo, niin sellainen symmetria voisi periytyä kiertävän aineen kiekkoon?
Linnunradan musta aukko pyörii, kuten muutkin mustat aukot. Tämän takia sen tapahtumahorisontti ei ole pallomainen. Yleisessä suhteellisuusteoriassa se ei kuitenkaan saa aikaan tällaisia rakenteita. EHT-ryhmä on tutkinut erilaisia vaihtoehtoja yleisen suhteellisuusteorian mukaiselle horisontille, mutta tuolla tavalla epäsymetristä horisonttia ei ole tutkittu. On kuitenkin luultavampaa, että kyseinen rakenne liittyy kiertymäkiekon ominaisuuksiin.
Voisiko sellainen ominaisuus olla vaikkapa se, että kiertonopeudessa on vaihtelua, mikä saa aineen jossakin kohtaa tiivistymään ja sitä kautta kasvattaa säteilyn intensiteettiä? Sitten tuosta kuvasta tuli assosiaatio atomien orbitaaleihin, ja googlettamalla löytyi mm. ”Modelling astrophysical discs reveals the emergence of Schrödinger’s equation”.
En tunne kiekon fysiikkaa, mutta tuskin.
Orbitaaleilla ei ole asian kanssa mitään tekemistä, tässä on kyse klassisesta fysiikasta.
Tuli mieleen, että eikö kiekon meille näkyvä intesiteetti kasva, jos gravitaatiolinssi painottaa kiekon kuvaa juuri kyseisissä kohdissa? Jos esimerkiksi kiekko pyörii meille näkyen yksinkertaisen horisontaalisesti, niin gravitaatiolinssi lisää vertikaalisen kuvan mustan aukon takaa, ja kahdessa reunakohdassa, joissa horisontaalinen ja vertikaalinen kiekko kohtaavat, on valon intensiteetti kasvanut?
Kysyin Heino Falckelta, ja hänen mukaansa ei ole selvää, mistä kolminainen rakenne syntyy, ja koska se on erilainen eri versioissa kuvasta (kirkkauden maksimit ovat esimerkiksi eri kohdissa), ei ole edes selvää, vastaako se kiekon todellista piirrettä.
Olisiko tähän luentoon saatavilla linkki?
Linkki on tiedotteessa. Linkkaan sen selvemmin, kiitos kysymästä.
https://www.helsinki.fi/fi/uutiset/avaruus/linnunradan-musta-aukko-pystytty-kuvaamaan-heino-falcke-luennoi-305
Voisiko Dr. Keski-Vakkurilta kysyä, että jos entropian kasvu on universaali laki, niin millaisen mekanismin kautta se nakertaa mustia aukkoja hajalle? Tai voisiko jokin kvanttimekaaninen epätarkkuusperiaate estää epäfysikaalista singulariteettia muodostumasta, ja jos se olisi kuviteltavissa, niin millainen tämä periaate voisi olla? Ja jos ainehiukkasten kvanttimekaniikan epätarkkuusperiaate pyörii käänteisten Fourier-muunnosten ympärillä, niin millainen matemaattinen malli voisi kuvata aika-avaruuden epätarkkuutta?
Kannattaa mennä paikan päälle (tai Zoomin linjoille) ja esittää Keski-vakkurilla tämä kysymys, jos se ei tule hänen puheenvuorostaan esille.