Mustan laatikon rapinaa
Onko mustia aukkoja olemassa? Karl Schwarzschild löysi yksinkertaisimman mustia aukkoja kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian ratkaisun joulukuussa 1915. Mustien aukkojen olemassaolosta ja ominaisuuksista on keskusteltu siitä asti.
Musta aukko on alue, jonne voi mennä sisälle, mutta jonka sisällä aika-avaruus on niin kaartunut, että ei ole tietä ulos. Tätä saatettiin aluksi pitää outona käytöksenä, mutta nykyään ymmärretään, että tällaisten alueiden mahdollisuus on yleisen suhteellisuusteorian tavallinen ominaisuus.
Sata vuotta Schwarzschildin työn jälkeen LIGO/Virgo-koeryhmä havaitsi kahden yhteen sulautuvan mustan aukon lähettämiä gravitaatioaaltoja – tai ainakin kaksi mustaa aukkoa on perustelluin tulkinta aaltojen lähteestä. Löydöstä myönnettiin Nobelin palkinto vuonna 2017.
Kolme vuotta sen jälkeen Roger Penrose sai puolet Nobelin palkinnosta sen osoittamisesta, että yleisen suhteellisuusteorian mukaan mustia aukkoja oikeasti syntyy. Penrosen työ oli julkaistu 1965, ja sen nostaminen esille 35 vuotta myöhemmin osoittaa miten mustien aukkojen merkitys on kasvanut. Penrosille myönnetyn palkinnon taustamateriaali päättyi kysymykseen:
“Se missä määrin tapahtumahorisontin ympäröimä musta aukon rakenne todella vastaa yleisen suhteellisuusteorian ennusteita on vielä avoin kysymys. Luonnolla voi olla yllätyksiä varastossa.”
Stefano Liberati italialaisesta tutkimuskeskuksesta SISSA (Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati) on tämän kysymyksen ja kvanttigravitaation asiantuntija. Toissaviikolla hän tarjosi eurooppalaisen astro- ja hiukkasfysiikan verkoston EuCAPT webinaarissa katsauksen tämänhetkiseen vastaukseen.
Fyysikot ovat perinteisesti ajatelleet mustia aukkoja hyvin yksinkertaisina kappaleina. Eristettyä ja ikuista mustaa aukkoa kuvaa vain kolme lukua: massa, pyörimismäärä ja sähkövaraus.
LIGOn ja Virgon havainnot ovat osoittaneet, miksi tämä näkökulma on liian rajoitettu: todelliset mustat aukot eivät ole eristettyjä. Liberati painotti sitä, että ne eivät myöskään ole ikuisia. Mustat aukot syntyvät aineen romahtaessa, ja syntyhistoria vaikuttaa niiden rakenteeseen niin yleisessä suhteellisuusteoriassa kuin sen laajennuksissa. Jos haluaa ymmärtää mustia aukkoja, pitää aloittaa niiden synnystä.
Kun massaa pakkaa tarpeeksi pienen pituuden sisään, niin yleisen suhteellisuusteorian mukaan syntyy suljettu yksisuuntainen pinta eli musta aukko ja sen sisälle singulariteetti, jossa teoria lakkaa toimimasta. Voiko yleisen suhteellisuusteorian tuolla puolen välttää singulariteetin syntymisen, ja olisiko musta aukko tai siltä näyttävä kappale erilainen myös pinnan ulkopuolella? Liberati kävi vaihtoehtoja järjestelmällisesti läpi.
Yksi mahdollisuus on se, että yksisuuntainen pinta syntyy, mutta aineen romahdus loppuu ennen kuin singulariteetti muodostuu. Tällöin mustan aukon keskustaan voi syntyä valkoinen aukko, joka on musta aukko takaperin ajassa. Valkoiseen aukkoon ei voi mennä, mutta sieltä on pakko tulla ulos, eli mustaan aukkoon putoava aine pursuaisi sieltä jossain toisessa paikassa.
Toinen vaihtoehto on se, että yksisuuntaista pintaa ei muodostu. Tämä voi tapahtua siksi, että valkoisen aukon suu on niin iso, että se ei mahdu pinnan sisään, jolloin kyse ei ole enää mustasta aukosta.
Yksisuuntaisen pinnan muodostuminen voi estyä siksi, että aineen romahdus hidastuu niin että se ikuisesti lähestyy mustan aukon syntyä, mutta ei koskaan pääse perille. Tässäkään tapauksessa ei ole kyse mustasta aukosta, ja tyhjän yksisuuntaisen pinnan sijaan tällaisella kappaleella on ainekuori.
Meillä ei ole valmista kvanttigravitaatioteoriaa emmekä tiedä mikä yleisen suhteellisuusteorian sadoista ehdotetuista laajennuksista on oikein. Ei siis ole selvää, mikä yllä mainituista vaihtoehdoista olisi uskottavin, eikä niitä myöskään ymmärretä täydellisesti. Osa vaihtoehdoista on hyvin epävakaita eikä voi siksi voi kuvata todellisuutta: tiedämme että mustat aukot tai niiltä näyttävät kappaleet elävät miljardeja vuosia.
Kysymys siitä, miten mahdollisuudet voi erottaa toisistaan ei ole enää pelkkää teoreettista pohdiskelua. Nyt kun olemme havainneet satoja mustien aukkojen törmäyksiä ja meillä on valokuvia tapahtumahorisonttien liepeiltä, teoreetikkojen pitää laskea ennusteita havainnoille.
Kun musta aukko (tai siltä näyttävä kappale) syntyy tai siihen putoaa ainetta, se värähtelee sille ominaisella tavalla. Samoin kuin kellon ääni kertoo sen koostumuksesta, mustien aukkojen lähettämät gravitaatioaallot kantavat viestiä niiden rakenteesta. Yksi mahdollisuus on se, että havaittaisiin kaikuja: aaltoja, jotka ovat matkanneet mustalta aukolta näyttävän rakenteen läpi ja heijastuneet takaisin.
Gravitaatioaaltohavaintojen myötä mustien aukkojen värähtelyistä on tullut vilkas tutkimusalue. Jotkut ovat julistaneet löytäneensä todisteita kaiuista, mutta LIGO-Virgo-KAGRA-ryhmän tarkka data-analyysi ei tue näitä väitteitä.
Todisteita yleisen suhteellisuusteorian tuolta puolen voi etsiä myös valokuvista. Event Horizon Telescope -ryhmä on tehnyt havaintoja Linnunradan ja galaksin M87 keskustassa lymyävistä massiivisista kappaleista. Valo kiertää niiden ympärillä hieman eri tavalla riippuen siitä, ovatko ne mustia aukkoja vaiko eivät, mutta havainnot eivät ole kovin tarkkoja.
Liberati huomautti, että analyysit eivät toistaiseksi ole myöskään teoreettisesti luotettavia, koska niissä käytetyt mallit vaihtoehdoista mustille aukoille ovat liian yksinkertaisia. Mutta poikkeaman yleisestä suhteellisuusteoriasta odotetaan olevan niin pieni, että Event Horizon Telescope sitä tuskin kuitenkaan näkee.
Joissakin malleissa mustilta aukoilta näyttävät kappaleet lähettävät viimeisen vahvan ja nopean valonpurkauksen ennen romahdusta, ja näitäkin etsitään, toistaiseksi tuloksetta.
Eniten odotetaan seuraavan sukupolven gravitaatioaaltokokeita. Yhdeksän vuoden päästä taivaalle on määrä nousta satelliittikolmikko LISA, joka mittaa galaksien keskustoissa toisiaan kiertävien jättimäisten mustien aukko -parien lähettämiä aaltoja. Yleisessä suhteellisuusteoriassa mustat aukot käyttäytyvät samalla tavalla massasta riippumatta. Joissakin yleisen suhteellisuusteorian laajennuksissa asia on toisin. Tätä voi testata vertaamalla LIGO-Virgo-KAGRA-ryhmän tuloksia mustista aukoista, joiden massa on lähellä Auringon massaa, LISAn havaintoihin miljoonia kertoja raskaammista mustista aukoista.
Liberati totesi, että koska yleinen suhteellisuusteoria pettää mustien aukkojen singulariteetissa, ne ovat hyviä kohteita uuden fysiikan löytämiseen. Ilman selvää ennustetta ei ole selvää koska se saataisiin haaviin. Kysymykseen siitä, onko mustia aukkoja olemassa vastaus ei siis ole kyllä eikä ei, vaan tietty raja sille, millaisia ja kuinka isoja poikkeamat mustista aukoista voivat olla.
Sata vuotta sitten tuskin kukaan uskoi, että pystyisimme kokeellisesti selvittämään tällaisia asioita. Viimeisen 11 vuoden aikana olemme eläneet aikakaudella jossa, kuten Liberati asian ilmaisi, voimme ravistella mustaa laatikkoa ja selvittää rapinasta mitä sen sisällä on.
Olisiko periaatteessa mahdollista, että tarpeeksi suurella energialla äärellisessä aikaikkunassa olisi mahdollista pyyhkiä hajalle romahtava aines ennen kuin se ylittää tapahtumahorisontin – ja siten purkaa mustan aukon geometria odottamatta sen höyrystymistä?
Mustan aukon sisäpuolen ja ulkopuolen välillähän ei ole yhtään yhteistä ajanlaatuista (signaalinvaihto) tai avaruudenlaatuista (jokin samanaikaisuustaso) foliaatiota valonlaatuisesta puhumattakaan. Näin ainakin sellaisissa kohtuullisen ”yksinkertaisissa” kuvauksissa olen oppinut asiasta.
Jos noin, mitä se kertoisi kaikkeuden kehittymisestä kausaalisesti ja mustien aukkojen interiöörien ontologiasta sen suhteen?
Tapahtumahorisontti syntyy aineen romahtaessa. Jos haluaa pysäyttää aineen ennen kuin se ylittää tapahtumahorisontin tapahtumahorisontti on siis valmiiksi jo olemassa, eli kyse on aineesta joka putoaa valmiiksi olemassa olevaan mustaan aukkon. Kun pudottaa ainetta mustaan aukkon se kasvaa, ei hajoa.
Väitteesi foliaatioista ei pidä paikkaansa. Ei siitä sen enempää.
Toteat että ”mustien aukkojen lähettämät gravitaatioaallot kantavat viestiä niiden rakenteesta”.
Eikö tämä nimenomaan tarkoita sitä että viestien kulun suhteen ei ole suljettua yksisuuntaista pintaa vaan horisontti koskee valoa ja massallisia hiukkasia?
Fyysiset mustat aukot tuntuvat pääsääntöisesti olevan pyöriviä Kerrin aukkoja joissa singulariteetti on rengas. Se tarkoittanee kutakuinkin sitä että niissä keskipakovoima estää materiarenkaan luhistumisen pistemäiseksi singulariteetiksi ja riippunee kulmanopeudesta kuinka lähellä rengas on horisonttia, tai ehkä joissakin tapauksissa rengas jopa yhtyy kertymäkiekkoon? Olisiko tämä realistinen mustan aukon malli?
Yleisessä suhteellisuusteoriassa kyse on mustan aukon pinnan värähtelyistä, ei siitä että pinnnan läpi tulisi signaaleja ulos. Yleisen suhteellisuusteorian tuolla puolen tilanne voi olla toinen.
Pyöriviä mustia aukkoja kuvaavissa Kerrin ratkaisuissa singulariteetti on yksisuuntaisen pinnan takana. Kerrin ratkaisussa ei ole ainetta ollenkaan, eikä se siis (ainakaan täysin) kuvaa romahduksessa syntyvien mustien aukkojen sisärakennetta, missä on mukana ainetta.
Mikä merkitys sähkövarauksella on mustan aukon ominaisuuksiin? Ja onko se käytännössä lähellä 0:aa?
Söhkävaraus muuttaa mustan aukon gravitaatiota lähellä aukkoa, kauempana sillä ei ole gravitaation kannalta merkitystä.
Lisäksi mustan aukon sähkövaraus vetää puoleensa vastakkaisia varauksia sähkömagneettisen vuorovaikutuksen takia, samalla tavalla kuin mikä tahansa muukin sähkövaraus.
Mustien aukkojen, kuten muidenkin isojen kappaleiden, sähkövaraus on hyvin pieni verrattuna niiden massaan (koska erimerkkiset varaukset vetävät toisiaan puoleensa eli kappaleet pyrkivät neutraloimaan varauksensa), eli sen käytännön merkitys lienee vähäinen.
Jos oletetaan, että mustat aukot voisivat koostua antimateriasta, niin onko mitään keinoa ulkoapäin erottaa materiasta ja antimateriasta koostuvat mustat aukot? Olisiko primordiaaliset mustat aukot voineet koostua antimateriasta?
Mustat aukot eivät koostu sen enempää aineesta kuin antiaineesta.
Aine ja antiaine gravitoivat samalla tavalla. Kumpikin voi siis synnyttää mustia aukkoja yhtä lailla. Lopputuloksessa ero nökyy vain aukon sähkövarauksessa, mutta se neutraloituu nopeasti.
Jos muinaisia mustia aukkoja on olemassa, ne ovat syntyneet sekoituksesta ainetta ja antiainette. Niiden syntyaikoina maailmankaikkeus oli kuuma keitto, missä tunnetuista hiukkasista oli suunnilleen yhtä paljon ainetta ja antiainetta (paitsi hiukkasista, joilla ei ole antihiukkasta tai jotka toisin sanoen ovat itse oma antihiukkasensa, kuten fotoni).
Eli kun gravitaatioaalto tai kappale osuu tapahtumahorisonttiin, niin mahdollinen uusi fysiikka ennustaa vapausasteita, jotka imevät gravitaatioenergiaa ja aiheuttavat siten poikkeaman klassisen mallin ennusteeseen? Entä jos saapuvan aallon energia pakkautuu ytimen läheisyyteen ilman singulariteettia, niin voisiko se aiheuttaa viivästyneeseen värähtelyreaktion? (Osa aallon energiasta jäisi loukkuun ytimen ja horisontin väliin, eli ydin toimisi kaikuja ja viivettä aiheuttavana ”resonanssikammiona”.) Ylipäätään jokin kaiku voisi merkitä romahduksen pysähtymistä. Voitaisiinko tällaista ilmiötä pitää jopa epäsuorana viitteenä aika-avaruuden diskreetistä rakenteesta, tai sitten jostain uudenlaisesta epätarkkuusperiaatteesta?
Eri teorioissa on erilaisia ennusteita. Ajatukset mustan aukon kaiuista liittyvät tuohon ideaa, että joissain teorioissa aallot voivat kulkea mustan aukon halki ja takaisin. Jos romahdus pysähtyy ennen mustan aukon muodostumista, ei ole mustaa aukkoa eikä siis myöskään mustan aukon kaikuja. Osassa näistä teorioista kaiut liittyvät aika-avaruuden diskreettiin rakenteeseen, osassa eivät.
Einsteinin–Rosenin silta taisi olla teoreema joka estää singulariteetin?
Ei ole.
Värisevä pinta välittää energiaa ja viestiä. Gravitaatioaallot, kyky väristää aika-avaruutta sisältyy suhteellisuusteoriaan, kyse vaikuttaa olevan siitä että hieman harkitsemattomasti on aikanaan käytetty ilmaisua ”ei mikään, ei edes valo” unohtaen gravitaatioaallot ja niiden kyvyn kantaa energiaa ympäröivään avaruuteen, mainitun pinnankin läpäisten. Verbaalin kuvauksen muutos asiasta ei siis aiheuttaisi mitään muutosta itse suhteellisuusteoriaan, asiana siis pienempi kun soutaminen ja huopaaminen kosmologisen vakion suhteen.
Miellän mustan aukon synnyn pragmaattisesti siten että mikäli laskennallinen tapahtumahorisontti syntyy niin havaittava musta aukko on syntynyt, vaikka romahdus pysähtyisi estäen singulariteetin syntymisen.
Sami Raatikainen 2015 (Ohjaaja: Syksy Räsänen / Tarkastaja: Syksy Räsänen): ”Tästä seuraa, että jopa Kerrin mustan aukon ekvaattoritasossa liikkuva hiukkanen voi tapahtumahorisonttien läpi kuljettuaan välttää singulariteetin.”
Tämä on tietenkin teoreettinen mallinnus ja siihen liittyvän sisimmän alueen fysikaalisuutta ilmoitettiin olevan syytä epäillä, mutta eikö pyörivällä singulariteetiksi luhistumattomalla mallilla vaikuttaisi olevan teoreettisiakin perusteita?
”kyse vaikuttaa olevan siitä että hieman harkitsemattomasti on aikanaan käytetty ilmaisua…”
Ei ole. Yleisessä suhteellisuusteoriassa gravitaatioaallot eivät voi tulla ulos mustasta aukon sisältä sen enempää kuin mikään muukaan.
Kyseisessä sitaatissa ei ole kyse siitä, että romahduksessa ei muodostuisi singulariteettia, vaan siitä, että mustassa aukossa liikkuva hiukkanen ei välttämättä törmää siihen.
”Kyseisessä sitaatissa ei ole kyse siitä, että romahduksessa ei muodostuisi singulariteettia, vaan siitä, että mustassa aukossa liikkuva hiukkanen ei välttämättä törmää siihen.”
Tuosta voin olla kutakuinkin samaa mieltä. Mahdollisuus että pyörivässä mustassa aukossa liikkuvat hiukkaset voivat säilyä horisontin sisällä romahtamatta singularitettiin olikin pointtini, silloin olisi mahdollista että a) Kerrin ratkaisun mukainen pyörivä musta aukko voisi sisältää hiukkasmuodossa olevaa ainetta b) jonka rooli voisi olla merkittäväkin.
Nämä aiempien kommenttiesi muotoilut eivät mielestäni ole ihan linjassa edellisen kanssa:
”Mustat aukot eivät koostu sen enempää aineesta kuin antiaineesta”
”Kerrin ratkaisussa ei ole ainetta ollenkaan, eikä se siis (ainakaan täysin) kuvaa romahduksessa syntyvien mustien aukkojen sisärakennetta, missä on mukana ainetta.”
Millä tavalla kommentit eivät mielestäsi ole linjassa?
Kommenttisi sulkevat pois Kerrin ratkaisun mahdollistaman aineellisen sisällön. Havainnot mustista aukoista viittaavat pyörismisliikkeeseen joten käytännön mustilla aukoilla voisi jollain todennäköisyydellä olla hiukkaskoostumusta.
Kerrin ratkaisu on tyhjöratkaisu, siinä ei ole ainetta. Todellisten mustien aukkojen syntymään liittyy ainetta, joten Kerrin ratkaisu ei kuvaa niitä täysin (ainakaan sisältä).