Sukkien viimeinen leposija

Viime viikkojen superstar on ollut romahtanut tähti. Sen kuva on koristanut TV-ruutuja, kännykän näyttöjä ja printtimedian etusivuja useammin kuin ehkä minkään maanpäällisen megajulkkiksen koskaan. Tilanne on hupaisa, sillä tarinan tähteä ei edes näy historiallisessa otoksessa.

Kyse on luonnollisesti Messier 87 -galaksin keskustaa painovoimallaan hallitsevasta mustasta aukosta. Edellisellä kierroksella se oli jättitähti, joka paloi loppuun. Jäljelle jäi vain sen äärettömän pikkiriikkiseen tilaan pakkautunut valtava massa. Melkoinen metamorfoosi.

Kyseessä ei ole perinteisen käsityksen mukainen valokuva vaan jälkikäteen koostettu kuvannus. Kahdeksan teleskoopin verkosto tarkkaili galaksin keskustaa kuin paparazzi korkeiden muurien takana piilottelevaa julkkista. Operaation onnistuminen edellytti osallistuneiden teleskooppien täydellistä synkronisoimista. Siinä apuna käytettiin atomikelloja, jotka jätättävät vain yhden sekunnin sadassa miljoonassa vuodessa. Teleskoopeilla kerättiin dataa ja datasta rakennettiin nyt julkaistu kuva. Materiaalia kertyi runsaasti: sen tallentamiseen tarvittiin puoli tonnia kovalevyjä.

Itse mustaa aukkoa kuvassa ei tosiaan näy, sillä aukot ovat implisiittisesti näkymättömiä. Ne on kuitenkin mahdollista paikallistaa niiden ympäristövaikutusten ansiosta, joista helposti havaittava on tapahtumahorisontiksi kutsutun alueen punaisena tulirinkinä hohtava reuna.

Eräs Event Horizon Telescope (EHT) -projektiryhmän jäsenistä vertasi kuvannusurakkaa Kuussa olevan donitsin kuvaamiseen. Lopputuloksen riittävä tarkkuus edellyttäisi ”maapallon kokoista teleskooppia, jolle tuskin löytyisi rahoitusta”. Mm. näistä käytännön syistä kansainvälinen tiedeyhteisö ryhtyi yhteistyöhön, joka osoitti voimansa: tuloksia syntyi yllättävän nopeasti. Niistä kertoessaan sama astrofyysikko totesi, että toistaiseksi datasta ei ole löytynyt mitään, mikä sotisi suhteellisuusteoriaa vastaan. Einstein näytti siis olleen oikeassa pähkäillessään teoriaansa reilut 100 vuotta sitten.

Viimeisellä rannalla

Mustat aukot olivat edellisessä elämässään raskaita tähtiä. Kun elinkaarensa lopussa oleva riittävän raskas tähti räjähtää, sen ydin romahtaa kasaan tähden oman painovoiman vaikutuksesta ja tuloksena on mustaksi aukoksi kutsuttu osa universumia.

… avaruuden aukko, jolla on selkeä reuna, minkä yli mikä tahansa voi pudota eikä mikään voi paeta; aukko, jonka painovoima on niin mahtava, että se pitää jopa valon otteessaan; aukko, joka saa avaruuden kaartumaan ja vääristää aikaa.

Kip Stephen Thorne

Mustan aukon valtavaan gravitaatioon viitaten sanotaan usein, että se ”syö” kaiken näkemänsä. Universumin järjestystä hallitaan tosiaan painovoimalla, mutta ei kuitenkaan miten sattuu. Kaikki taivaankappaleet – kuut, planeetat, asteroidit, komeetat, meteorit, tähdet, mustat aukot jne. – liikkuvat niihin vaikuttavien gravitaatiovoimien sallimissa rajoissa, minkä ansiosta ovat muodostuneet pysyvät kosmiset rakenteet kuten oma aurinkokuntamme. Rakenteiden luoma (suhteellinen) tasapainotila tekee mm. elämän pallollamme mahdolliseksi. Viattomien ohikulkijoiden syöminen ei siis ole mustan aukon elämäntehtävä, ja menoa universumissamme laajalti hyväksytyn käsityksen mukaan ohjaavan suhteellisuusteorian näkökulmasta mustat aukot ovat vain yksi gravitaation lähde muiden joukossa.

Jos nyt kuitenkin sattuisi niin ikävästi, että kaikessa rauhassa rataansa kiertävään taivaankappaleeseen vaikuttaisi sopivalla ajan hetkellä voima, joka tuuppaisi sen radalta mustan aukon suuntaan, kävisi Dantea lainaten kehnosti: ”Ken tästä käy, saa kaiken toivon heittää”. Aukkoon lipsahdettuaan kaikki aine kokee ”spagettifikaation”, ts. venyy spagetin kaltaisiksi ohuiksi rimpsuiksi ja edelleen tuusan nuuskaksi. Näin aukkoon sukeltavan aineen kohtaloa kuvasi edesmennyt Stephen Hawking.

”Aukko” on hieman harhaanjohtava sanavalinta. Sehän viittaa johonkin, joka on tyhjää tilaa. Musta aukko on kuitenkin täysin päinvastainen tapaus: se on kooltaan pieni – tämä on luonnollisesti suhteutettava maailmankaikkeuden mittakaavaan -, mutta massaltaan mahtava ja se täyttää tilansa maksimaalisesti. Se on käsittämättömän tiheä, ehkä jopa pistemäinen energiakeskittymä (singulariteetti). Tai mahdollisesti tiheä säikeiden pallo, kuten säieteoreetikot esittävät.

Esimerkiksi nyt kuvannettu supermassiivinen musta aukko on arvioitu kuuden miljardin Auringon massaiseksi; mustan aukon massa on aina sama kuin sen ”synnyttäneen” tähden massa. Jättimäisen massansa ansiosta aukon vetovoima on niin voimakas, että edes valo ei pääse sitä karkuun.

Musta aukko on näkymätön, sillä se on sekä pieni että pimeä.

Sanotaan, että tosiasiat ovat joskus oudompia kuin keksityt. Missään tämä ei pidä paremmin paikkaansa kuin mustien aukkojen tapauksessa. Mustat aukot ovat oudompia kuin mikään mitä scifi-kirjailijat ovat keksineet.

Stephen W. Hawking

Huolestuneille kansalaisille tiedoksi: kaikilla tähdillä ei ole fyysisiä edellytyksiä mustaksi aukoksi. Esimerkiksi oma tähtemme Aurinko on universumin mittakaavassa massaltaan niin vaatimaton, että siitä ei tule koskaan sukkia syövää mustaa aukkoa. Kun sen aika on täynnä, siitä tulee valkoinen kääpiö.

Savuava ase

Myös Messier 87 -galaksin keskiössä olevan mustan aukon olemassaolon paljasti tapahtumahorisontin fotonireunus. Kitka saa siinä lähes valonnopeudella kiertävät kaasut kuumenemaan useiden miljardien asteiden lämpötilaan, minkä seurauksena ne alkavat tuottaa mm. radio-, ultravioletti- ja röntgensäteilyä, jota tutkijat käyttivät tietolähteenään.

Eräs toinenkin viime vuosien suurista avaruustutkimuksen uutisista liittyi mustien aukkojen olemassaolon todentamiseen, vaikkakin puolivahingossa. Pääuutisena olivat maailmankaikkeuden väreilemään saavat gravitaatioaallot, joita tiedetään syntyneen  alkuräjähdyksessä. Kun 2016 tehtyjä aaltohavaintoja alettiin tutkia tarkemmin, syylliseksi osoittautuivat big bangin sijaan kaksi toisiinsa sulautunutta mustaa aukkoa, joiden valtaisa yhteismassa sai avaruuden kankaan värähtelemään. Kirjoitin asiasta muutama vuosi sitten:

Thorne sai fysiikan nobelin vuonna 2017, koska hän oli kehittämässä painovoima-aaltoja havainnutta Ligo-laitetta. Se havaitsi kahden mustan aukon sulautumisen aiheuttaman avaruuden väreilyn vuonna 2015. Kyseessä oli ensimmäinen suora havainto mustista aukoista. Aikaisemmin ne havaittiin tähtien liikkeiden avulla ja mustaan aukkoon putoavan aineen säteilystä.

Tuulahduksia menneisyydestä

Tieteen ammattilaiset asialla

EHT-projektin aikaansaannos on kerrassaan huikea: ihminen on osannut kuvata valon, jonka tuottivat 55 miljoonaa vuotta sitten avaruudessa ollutta aukkoa kiertäneet kuumat kaasut. Kuvannus ei siis esitä tilannetta noin kaksi vuotta sitten eräänä huhtikuisena yönä, jolloin teleskoopit toimiaan synkronoiden keräsivät tahoillaan dataa nyt julkaistua luomusta varten. Historiankirjoihin jäävässä kuvassa on otos yli 50 miljoonan vuoden takaisesta ajan hetkestä.

Saavutuksessa korostuu tieteellisen tiedon kauneus. Matematiikan ja fysiikan kaltaiset eksaktit tieteet kertovat, mikä on mahdollista. Niihin perustuvien lainalaisuuksien ja mallinnusten ansiosta pystytään päättelemällä ja eliminoimalla selittämään ilmiöitä, vaikka tutkimuskohdetta ei voida suoraan aistein havainnoida. Astrofyysikkojen ei tarvitse nähdä mustaa aukkoa tietääkseen, että niitä on olemassa eikä näköjään edes tietääkseen, miltä ne näyttävät.

Todisteeksi epäilevät voivat googlailla yllä olevan kaltaisia tietokonesimulaatiolla tuotettuja mustan aukon kuvia, joita on rakennettu jo vuosikausia Einsteinin suhteellisuusteoriaan ja tietokoneiden miltei rajattomaan datankäsittelykykyyn tukeutuen. Kuten Ylen Tiedeykkösen haastattelema akatemiatutkija Tuomas Savolainen Aalto-yliopistosta sanoi: ”Yllättävää oli se, ettei nyt luodussa kuvassa ollut mitään yllättävää”. Se näytti siis juuri sellaiselta kuin tutkijat olivat olettaneet sen näyttävän.

Universumissa on  kaikki hyvin.

”Kukaan fyysikko ei ole matkustamassa mustaan aukkoon tekemään mittauksia. Tätä kysymystä voi todellakin tutkia vain matemaattisesti, mutta sillä on fysikaalisia, miltei filosofisia seurauksia, mikä tekee siitä hyvin jännän”, kuvailee Peter Hintz Kalifornian yliopistosta.

Tähdet ja avaruus 3/2018

Lähteitä mm.

 

Ei kommentteja.

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s