Mustan laatikon rapinaa
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.