Horisonttia kohti
Olin viime viikolla Brysselissä workshopissa NEHOP25 – lyhenne sanoista NEw Horizons in black Hole Physics (suom. UHMA25- Uudet Horisontit Mustien Aukkojen fysiikassa). Tämä oli kolmas vuosittaisessa sarjassa, Napolin ja Edinburghin kokousten jälkeen. Paikkana oli Université Libre de Bruxelles, jonka kampuksella brutalistiset betonisärmiöt pilkistävät vihreiden puiden ja rehevien pensaiden seasta ja korpit hyökkäävät yliopistolaisten kimppuun.
Nyt on mustien aukkojen kulta-aika. LIGO-havaintolaite teki kymmenen vuotta sitten ensimmäisen suoran havainnon gravitaatioaalloista, ja niitä on tullut satakunta lisää. Suurimman osan lähteenä on ollut kaksi toisiaan kiertävää ja yhteen sulautuvaa mustaa aukkoa, minkä takia kaikesta mustiin aukkoihin liittyvästä on tullut suosittua. Muitakin mustiin aukkoihin liittyviä havaintoja on yhä enemmän, esimerkiksi vuonna 2019 Event Horizon Telescope julkisti ensimmäiset valokuvat läheltä mustien aukkojen tapahtumahorisonttia.
Idea siitä, että on olemassa mustia aukkoja, jotka eivät ole syntyneet tähtien romahduksessa vaan paljon aiemmin on sekin saanut piristysruiskeen, ja tämä tapaaminen keskittyi niihin. Aiheesta on juuri ilmestynyt oppikirjakin. Muinaiset mustat aukot saattavat olla pimeää ainetta tai toimia galaksien keskustoissa olevien jättimäisten mustien aukkojen siemeninä.
Ajatuksen mustista aukoista pimeänä aineena esitti jo Stephen Hawking vuonna 1971. Tutkimuksen jatkuvuutta tapaamisessa edustivat vanhat tekijät Bernard Carr ja Michael Hawkins. Carr työskenteli Hawkingin kanssa mustien aukkojen parissa, ja kertoi puhuneensa niistä ensimmäisen kerran konferenssissa vuonna 1973, ennen kuin suuri enemmistö tämän workshopin osallistujista oli edes syntynyt. Tutkimuksen tekemisen taito kulkee kädestä käteen, ja epämuodollisilla keskusteluilla ja tapaamisilla on siinä suuri merkitys.
Suurimman osan tästä 52 vuodesta muinaiset mustat aukot ovat olleet syrjässä fysiikan valtavirrasta, mutta viime vuosina niitä tutkiva yhteisö on kasvanut paljon. Uusia teoreettisia tuloksia tulee tiuhaa tahtia, ja monet ongelmat ovat osoittautuneet vaikeammiksi ja mielenkiintoisemmiksi kuin mitä aiemmin hahmotettiin.
David Wands puhui mustien aukkojen tuottamisesta kosmisen inflaation avulla (minkä parissa itsekin työskentelen), ja totesi, että häntä kiinnostaa ensisijaisesti siihen liittyvien inflaation yksityiskohtien ymmärtäminen, ja vasta toissijaisesti mustat aukot.
Teoreettiset fyysikot ovat ennen kaikkea ongelmanratkaisijoita. Joskus ongelmat osoittautuvat oleellisiksi todellisen maailman ymmärtämisessä, joskus niiden hahmottamisella on yllättäviä seurauksia asioille joita ei ollut alun perin ajatellutkaan. Yksi esimerkki tästä on Hawkingin merkittävin saavutus fysiikassa, hänen mukaansa nimetty mustien aukkojen säteily, jonka Hawking päätyi löytämään pohtiessaan juuri muinaisia mustia aukkoja.
Mustien aukkojen synnyttäminen, olivat ne muinaisia tai nykyaikoina romahtavia, vaatii sitä että massaa pakkautuu hyvin tiiviisti. Jos tällaisia massakeskittymiä haluaa tuottaa kosmisen inflaation kvanttivärähtelyistä –jotka ovat paras selitys galaksien ja muiden isojen rakenteiden alkuperästä– niin värähtelyjen pitää siis olla isoja.
Marraskuussa 2022 Jason Kristiano ja Jun’ichi Yokoyama väittivät, että tällaiset isot kvanttivärähtelyt pilaavat inflaation ennusteet, koska tavallinen tapa laskea niitä pätee vain pienille värähtelyille. Tästä tuli kuuma aihe, josta kirjoitettiin lyhyessä ajassa kymmeniä tieteellisiä artikkeleita. Laura Iacconi esitti puheessaan uuden tavan osoittaa, että nämä isot kvanttivärähtelyt eivät pilaa inflaatiota. Nämä laskut ovat kirkastaneet sitä, miten kvanttifysiikkaa laajenevassa avaruudessa voidaan käsitellä.
Eemeli Tomberg, entinen jatko-opiskelijani ja yhä yhteistyökumppanini mustien aukkojen tutkimuksessa, puhui siitä miten kosminen inflaatio voi joissakin maailmankaikkeuden alueissa jatkua ikuisesti. Tämä saattaa asettaa inflaation ennusteet kyseenalaisiksi (asiasta tarkemmin täällä). Kvanttimekaniikassa läpimurron tehnyt fyysikko John Bell totesi aikoinaan, että suurin osa fyysikoista ajattelee, että ongelmat kvanttimekaniikan tulkinnassa kyllä selviävät kunhan istuu alas ja miettii niitä 15 minuuttia. Oma asenteeni ikuista inflaatiota kohtaan on ollut hieman samanlainen, mutta on oikeasti epäselvää, mistä ratkaisu löytyy.
Jos pimeä aine koostuu mustista aukoista, niin niiden massa voi olla korkeintaan asteroidin massan luokkaa, muuten ne olisi havaittu. Toisaalta massalle tulee alaraja siitä, että liian pienet mustat aukot olisivat höyrystyneet olemattomiin Hawkingin säteilyn takia. (Ellei säteily sitten lakkaa loppuvaiheessa jostain syystä, missä tapauksessa pimeä aine voi koostua jäljelle jäävistä nokareista.)
Viime vuosina on tullut muotiin idea siitä, että mustat aukot eivät höyrysty loppuun asti. Perusteluna on se, että koska mustissa aukoissa on paljon informaatiota ja energian säilymisen takia niiden massa ja siten koko pienenee säteillessä, niin informaatio pakkautuu yhä tiukempaan ja sen saaminen ulos (eli säteileminen) on yhä vaikeampaa. Emme tiedä, mikä on oikea tapa kuvata mustia aukkoja kvanttimekaanisesti, joten teorian kannalta on vaikea sanoa mitään kovin perusteltua tätä ideaa vastaan tai sen puolesta, mutta tässäkin workshopissa oli useita puheita sen mahdollisista seurauksista havainnoille.
Spekulaatioiden vastapainoksi monissa puheissa lähestyttiin mustia aukkoja tarkasti ja huolellisesti vankalla pohjalla olevan fysiikan suunnalta.
Nicolas Esser puhui siitä, miten asteroidin massaiset mustat aukot voisivat törmätä tähtiin ja syödä ne sisältäpäin. Mitä isompi tähti, sitä suurempi todennäköisyys kaapata musta aukko, joten tämä poistaisi näkemistämme tähtiväestöistä raskaan sarjan edustajia. Hän on yhteistyökumppaneineen tarkastellut tätä erittäin himmeiden kääpiögalaksien tapauksessa (samanlaisten, joiden perusteella hiljattain esitettiin, että pimeä aine vuorovaikuttaa itsensä kanssa). Raskaita tähtiä ei näytä puuttuvan, joten tulokset asettavat uuden rajan asteroidin massaisten mustien aukkojen massalle.
Marsin ja Maan etäisyys tunnetaan 70 senttimetrin (eli miljardisosan tuhannesosan) tarkkuudella. On esitetty, että jos musta aukko pyyhältäisi Aurinkokunnan läpi, se häiritsisi Maan ja Marsin ratoja niin paljon, että sen voisi havaita. Valentin Thoss esitteli kenties huolellisimpia toistaiseksi tehtyjä laskuja, ja totesi että tarkkuutta pitäisi itse asiassa parantaa muutamaan senttimetriin, mikä vaikuttaa hankalalta ellei rakenneta juuri sitä varten suunniteltua laitetta.
Itselleni yksi kohokohtia oli Carrin mukaansatempaava ja sydämellinen puhe havainnoista, jotka voivat tukea muinaisten mustien aukkojen olemassaoloa. Hän on monia muita optimistisempi, ja arvioi niiden olemassaolon todennäköisyydeksi (henkilökohtaiseen tuntemukseen perustuen) 80%.
Kokous osoitti, että mustien aukkojen tutkimuksessa teoria ja havainnot etenevät yhdessä, mikä on terveen fysiikan alan merkki. Voi hyvin olla, että seuraavan kymmenen vuoden kuluessa ehdotus mustista aukoista pimeänä aineena on varmistettu tai suljettu pois, mutta emme osaa sanoa, mitä muuta mielenkiintoista polun varrelta löytyy.
Eikös asteroidin massainen musta aukko jo aiheuta ihmiseen osuessaan tuhoa? Luulisi että osuma olisi todennäköisempää ihmiskunnan historian aikana kuin että Mars liikahtaisi riittävästi.
Pimeän aineen törmäyksiä ihmisiin on tutkittu. Asteroidin massaisten mustien aukkojen tapauksessa törmäykset ovat hyvin harvinaisia (eikä sitä paitsi ole luotettavia havaintoja kovin pitkältä aikaa.)
Tarkemmin, ks.
https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/ei-suojaa-luotisateelta/
Tuntuu hieman omituiselta että mustan aukon ominaisuuksista ei esitetä eikä arvioida vaihtoehtoisia tulkintoja. Puristisessa näkemyksessä vaikuttaisi olevan epäjohdonmukaisuuksia tai avoimia seikkoja, vaihtoehtoisten tulkintojen esille tuonti ja arvionti arvovaltaisessa foorumissa olisi kiintoisaa. Ehkä jopa hedelmällistäkin.
Mustien aukkojen ominaisuuksista esitetään erilaisia vaihtoehtoja koko ajan, tässäkin blogimerkinnässä oli siitä esimerkki.
Vaihtoehtoja mustille aukoille pohditaan myös, ks. https://www.ursa.fi/blogi/kosmokseen-kirjoitettua/ekologinen-elaintarha/
Olinkin kommentoinut tuossa jutussa ja hieman oudoksuin vastaustasi.
Vaikuttaahan mitä puhtaimmalta vuorovaikutukselta se että ”massa kertoo aika-avaruudelle kuinka kaareutua ja aika-avaruus kertoo kappaleille, kuinka liikkua”, ja tämä vuorovaikutus ei lakkaa minkään tapahtumahorisontin syntyyn tai olemassaoloon.
Se seikka, että yhdistymisessä syntyneen mustan aukon massa ei ole sama kuin törmänneiden mustien aukkojen massojen summa, eivätkä syntyneet gravitaatio-aallot selity pelkillä mustien aukkojen liike-energioilla, poissulkenee kokonaan sen vaihtoehdon että singulariteetteja kehittyisi lainkaan?
Sillä, että gravitaatioaallot kuljettavat energiaa mitään tekemistä sen kanssa, että singulariteetteja syntyy. Ei tästä sen enempää.
Jos Hawkiningingin säteily loppuu ennen kuiin koko musta aukko on höyrystynyt niin silloin osa informaatiosta on hävinnyt lopullisesti mikä lienee energian säilymisperiaatetta vastaan?
Riippumatta siitä säteileekö musta aukko loppuun vai ei, Hawkingin säteily herättää kysymyksiä siitä mitä mustassa aukossa olevalle informaatiolle käy. Tätä niinkutsuttua informaatioparadoksia ja mahdollisia ratkaisuja siihen on pohdittu paljon, mutta ei siitä nyt tässä sen enempää.