Vieraskynä: Kirjamatka mustaan aukkoon
Tommi Tenkanen
Matka mustaan aukkoon – Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan. Tämän hienon nimen on saanut Ursan kustantama tuore tietokirjani, joka on nyt viimein ilmestynyt. On myönnettävä, että olo on huojentunut!
Edellisestä, kirjan varhaisempia valmistumisvaiheita seuranneesta blogitekstistäni ehti vierähtää suunniteltua enemmän aikaa, sillä mustaan aukkoon suuntautuvan nojatuolimatkan kirjoittaminen osoittautui hektisen arjen keskellä odotettua haastavammaksi projektiksi. Ensin kuitenkin hieman itse kirjasta.
Matka mustaan aukkoon on yleistajuiseksi tarkoitettu tieoteos, joka päivittää lukijan tiedot mustista aukoista 2020-luvulle ja luo katsauksen jännittävään ja havaintojen kannalta erittäin lupaavaan tulevaisuuteen. Tähän mennessä esimerkiksi mustien aukkojen keskinäisiä törmäyksiä on havaittu gravitaatioaaltoilmaisimilla noin viisikymmentä, mutta tulevaisuudessa niitä tullaan näkemään useita joka päivä eli yhteensä ainakin tuhansia. Myös lisää valokuvia mustista aukoista on odotettavissa – mukaan lukien kuva Linnunradan Sagittarius A* -jättiläisestä eli kotigalaksimme ikiomasta supermassiivisesta mustasta aukosta.
Kirjassa käsitellään varsin kattavasti paitsi mustien aukkojen perusolemusta ja niistä tehtyjä havaintoja, myös alkuräjähdystä ja reittiä kohti niin kutsuttua kaiken teoriaa, joka yhdistää kaikki luonnon perusvuorovaikutukset yhdeksi ja samaksi voimaksi. Tähän viittaa myös teoksen alaotsikko. Kysymyksessä ei kuitenkaan ole tieteellinen teos eikä oppikirja, eikä kirja sisällä matematiikkaa. Mustien aukkojen kummallisimmatkin piirteet – kuten mustaan aukkoon putoavan astronautin venymisen spagetin lailla sekä ajan ja avaruuden vaihtumisen mustan aukon sisällä – olen pyrkinyt kuvaamaan mahdollisimman yleistajuisesti.
Mukana on myös edellisen kirjani Pimeän aineen arvoitus tapaan tarinallisempia tutkijahaastatteluita sekä vierailu Metsähovin radiotutkimusasemalle, Suomen ainoaan tähtitieteelliseen radio-observatorioon. Sen tutkijoista Tuomas Savolainen oli mukana muodostamassa ensimmäistä mustan aukon valokuvaa, kuten kirjassa seikkaperäisesti kerron. Tutkijoista mukana on isoimpana nimenä teoreetikko Juan Maldacena, joka on maailman johtavia mustien aukkojen ja säieteorioiden tutkijoita. Hän kertoo kirjassa mm. madonrei’istä sekä pyrkimyksistä saavuttaa kaiken teoria.
Kirjaa oli edellisen teokseni tapaan hauska kirjoittaa ja opin samalla myös valtavasti uutta. Se onkin tiedonvälityksen ohella itselleni tärkeimpiä syitä kirjoittaa tietokirjoja: asian selittäminen muille on yksinkertaisesti paras tapa varmistaa, että ymmärtää sen ainakin kohtuullisen hyvin itsekin. Tärkein syy on kuitenkin jakaa tietoa maailmankaikkeuden ihmeistä sekä niiden ajankohtaisesta tutkimuksesta.
Miksi kirjoitusprosessi kuitenkin tuntui haastavalta? Ensinnäkin koronarajoitteet peruivat kirjaa varten suunniteltuja vierailuja useaan otteeseen. Kirjasta jäi pois vierailu Helsingin observatoriolle (samassa rakennuksessa sijaitsee nykyään myös Ursan toimisto), ja Metsähovin-vierailukin siirtyi useaan kertaan ennen toteutumistaan.
Toisaalta otin keväälle liikaa myös muuta tekemistä vapaa-ajalleni, mistä voin tietenkin syyttää vain itseäni. Kirjan kirjoittamisen ohella toimin Vuoden tiedekirja -palkinnon raadin jäsenenä (palkinnon voitti Esa Väliverrosen ja Kai Ekholmin toimittama tärkeä teos Tieteen vapaus ja tutkijan sananvapaus), pidin useita esitelmiä ja käsikirjoitin sekä juonsin A Night with the Space Nobelists -sarjan, jossa haastattelin kolmea tähtitieteestä tai kosmologiasta Nobelin palkinnon saanutta tutkijaa.
Kirja myös laajeni alkuperäiseen suunnitelmaansa nähden kahdella luvulla. Suunnitellun tusinan sijaan kirjan lopullinen versio sisältää 14 lukua, eikä kertomista olisi tehnyt mieli lopettaa siihenkään. Aihepiiri kun on paitsi erittäin laaja ja nykykosmologian keskeisimpiä, myös erittäin jännittävässä tilanteessa. Lähitulevaisuudessa kertyvien havaintojen toivotaan paljastavan viitteitä yleisen suhteellisuusteorian tai jopa hiukkasfysiikan standardimallin tuolta puolen, ja siten auttavan tutkijoita kahden toisiinsa aiemmin yhteensopimattoman teorian yhdistämisessä. Tavoitteena on lopulta kaiken teoria. Aika näyttää, miten tässä tullaan onnistumaan.
Loppujen lopuksi kirjan ilmestyminen tuntui kuitenkin osuvan juuri oikeaan aikaan. Mustien aukkojen tutkimus etenee vauhdilla, mutta ymmärtääkseen tulevaisuutta ja tiedettä ylipäätään on aika ajoin paikallaan luoda katsaus siihen, mitä tutkimuksessa on meneillään juuri nyt. Sen kirja toivottavasti kertoo jokaiselle aihepiiristä kiinnostuneelle lukijalle. Antoisia lukuhetkiä!
Kirjoittaja on kosmologi ja teoreettisen fysiikan dosentti, joka työskentelee Aalto-yliopistossa asiantuntijana.
Blogin kirjoittaja lienee Tommi Tenkanen? Kun ei tekstistä käy ilmi.
Erinomainen huomio, kiitos! Se tieto on nyt lisätty tekstin alkuun.
Kiinnosti kertomasi, että mustien aukkojen törmäyksiä havaittu jo ”noin viisikymmentä, mutta tulevaisuudessa niitä tullaan näkemään useita joka päivä eli yhteensä ainakin tuhansia.”
Nämä törmäyshavainnot lienee usein havaittavissa nykyistä etäämpää – ettei niitä aivan lähimpien valovuosien etäisyydeltä päivittäin löytyne?
Juuri näin. Mitä herkemmästä ilmaisimesta on kysymys, sitä kauempaa lähteneen gravitaatioaaltosignaalin se kykenee rekisteröimään. Tällä hetkellä lähin havaittu signaali on lähtöisin 40 megaparsecin eli n. 130 miljoonan valovuoden päästä, kaukaisimmat miljardien valovuosien etäisyydeltä. Vertailukohtaa saa naapurigalaksistamme Andromedasta, joka sijaitsee meistä 2,5 miljoonan valovuoden etäisyydellä. Kaikista tähän mennessä havaituista kohteista löytää lisää täältä: https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_gravitational_wave_observations (ja hienon visualisaation täältä: https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20211107a).
Kuuntelin YouTubessa mainion esitelmäsi mustista aukoista. En halunnut tehdä kysymyksiäni esitelmän aikana chatisa, joten teen ne nyt tässä.
Neutronitähtien pyörimisnopeuksissa on tunnetusti vaihtelua, mutta ne kaikki pyörivät todella vinhasti, nopeimmillaan noin 1000 kierrosta sekunnissa. Mustien aukkojen luulisi pyörivän niitäkin nopeammin. Miten suuria pyörimisnopeuksia mustilla aukoilla mahdollisesti voi olla? Ääretön miinus jotakinko?
Usein kuulee sanottavan, että musta aukko saa aikaan äärettömän suuren aika-avaruuden kaareutumisen. Kadunmiehen sanomana musta aukko painaa siis äärettömän paljon. Ei se tietenkään näin voi olla, koska äärettömyys on ”toisesta maailmasta” ja tiedetään, että mustilla aukoilla on eri suuruisia massoja. Jotkut niistä kaareuttavat aika-avaruutta esimerkiksi sadan auringon verran, toiset taas esimerkiksi miljardin auringon verran.
Tästä johtuu pari kysymystä: (1) Kun tiedetään, että tähden luhistumisen seuraksena syntyvällä mustalla aukolla täytyy olla usean auringon massa, mitä ovat ne spekulaatiot minikokoisista, avaruudessa vaeltavista mustista aukoista, jotka olisivat tapahtumahorisontteineen vain atomin kokoisia? (2) Vallitseeko kymmenen auringon massaisessa mustassa aukossa pienempi aineen tiheys kuin miljardin auringon massaisessa mustassa aukossa, vai onko aineen tiheys aina sama riippumatta aukon massasta? Eli painaako kuutiomillimetri mustaa aukkoa aina saman verran riippumatta aukon kokonaismassasta?
Mukava kuulla, että pidit esitelmästä! Lähtökohtaisesti tähdet säilyttävät neutronitähdeksi tai mustaksi aukoksi romahtaessaan saman pyörimismääräksi kutsutun suureen kuin mitä tähdellä (tai sen romahtavilla osilla) oli niiden elinaikana. Koska neutronitähtien halkaisija (noin 20 km) ei suuresti poikkea mustan aukon tapahtumahorisontin halkaisijasta (tähdenmassaisella mustalla aukolla muutamia kilometrejä), eivät niiden pyörimisnopeudetkaan lähtökohtaisesti poikkea paljon toisistaan. Myös musta aukko voi pyöriä yli 1000 kierrosta sekunnissa, mikä taitaakin tällä hetkellä olla suurimpia mitattuja arvoja.
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan musta aukko saa aikaan aika-avaruuden äärettömän suureen kaareutumisen vain mustan aukon keskipisteessä eli singulariteetissa. Muualla kaareutuminen on äärellistä. Lienee todennäköistä, että mustan aukon keskelläkään aika-avaruuden kaarevuus ei oikeasti ole äärettömän suurta – teorian ennuste vain on siellä väärä. Toistaiseksi emme tätä tiedä. Vastauksena kuitenkin kysymyksiisi:
1) On tosiaan ehdotettu, että myös hyvin pieniä mustia aukkoja olisi olemassa. Nämä eivät olisi syntyneet tähtien luhistumisen seurauksena vaan jo alkuräjähdyksen aikana kuuman hiukkaspuuron tiivistymistä. Toistaiseksi tällaisia ”muinaisia mustia aukkoja” ei ole havaittu.
2) Mustan aukon sisällä aine päätyy aina keskustassa sijaitsevaan singulariteettiin, muuten musta aukko on käytännössä tyhjä. Koska singulariteetissa aineen tiheys on ääretön, tarkkaa vastaustakaan ei mustan aukon tiheydestä voi valitettavasti antaa!
Kiitos vastauksesta. On pakko tehdä vielä pari lisäkysymystä:
1) Mustilla aukoilla on eri suuruisia massoja. Mustan aukon minimimassa on muutaman auringon massan suuruinen, jos se syntyy tähden luhistumisen seurauksena. Aukon tapahtumahorisontti on sitä kauempana mustan aukon keskipisteestä, mitä suurempimassaisesta aukosta on kysymys. Jos spekulaatio atomin ytimen kokoisesta mustasta aukosta olisi totta, miten suuri olisi sen massa ja miten kaukana siitä sijaitsisi tapahtumahorisontti?
2) Eikö ole niin, että mustan aukon massa on se mitä on singulariteetteineen kaikkineen? Koska aukkojen massat voidaan mitata, ne eivät voi olla äärettömän painavia eikä käsittääkseni silloin myöskää äärettömän tiheitä. Voisin hyväksyä sen, että kaikkien mustien aukojen tiheys on sama riippumatta niiden massasta. Miten on?
1) Pienimmän atomiytimen eli vety-ytimen kokoisen (eli käytännössä protonin halkaisijan ~10^-15 m kokoisen – tapahtumahorisontin ja keskipisteen välinen etäisyys olisi siis puolet tästä pituudesta) mustan aukon massa olisi 5.7*10^11 kg eli noin 600 miljardia kiloa; esimerkiksi Aurinko on 10^19 eli 10 miljardia miljardia kertaa tätä painavampi. Sattumalta tällaisten mustien aukkojen elinaika olisi sellainen, että ne höyrystyisivät Hawkingin säteilyn kautta juuri nyt. Niitä ei kuitenkaan ole havaittu, joten todennäköistä on, ettei niitä ole olemassa.
2) Mustan aukon massa on äärellinen, mutta tiheys keskipisteessä ääretön. Käytännössä tämä viittaa siihen, ettei yleinen suhteellisuusteoria pysty kuvaamaan mustan aukon keskipistettä eikä siten myöskään mustan aukon tiheyttä onnistuneesti.