Potkut ylöspäin

20.12.2020 klo 20.51, kirjoittaja
Kategoriat: Kosmokseen kirjoitettua , Kosmologia

Minä ja yhteistyökumppanini Dani Figueroa, Sami Raatikainen ja Eemeli Tomberg julkistimme viikon alussa artikkelin siitä, miten mustia aukkoja tehdään.

Pari vuotta sitten minä ja Eemeli Tomberg tutkimme sitä mahdollisuutta, että pimeä aine koostuu höyrystyneiden mustien aukkojen jäänteistä, joiden massa on mikrogramman luokkaa. Nyt katselimme tavanomaisempia mustia aukkoja, joilla on massaa noin 10^(16) eli kymmenen miljoonaa miljardia kiloa, saman verran kuin kohtuullisella asteroidilla. Tällaiset mustat aukot olisivat atomin kokoisia.

Mustia aukkoja ehdotettiin pimeäksi aineeksi jo vuonna 1975. Sittemmin on esitetty monia ideoita siitä, miten niitä tuotettaisiin tarpeeksi. Tavallinen reitti tähdistä romahduksen kautta mustiksi aukoiksi ei käy, koska pimeää ainetta on olemassa ennen tähtien syttymistä ja sitä on paljon enemmän kuin tähtiä.

Mustaan aukkoon ei tarvita muuta kuin se, että pakataan massaa tarpeeksi tietyn säteen sisälle. Yksi lupaava mahdollisuus on se, että mustiksi aukoiksi romahtavat klimpit syntyvät samalla tavalla kuin maailmankaikkeuden kaikkien muidenkin rakenteiden–oikeiden asteroidien, planeettojen, tähtien, galaksien, galaksiryppäiden, ja niin edelleen– siemenet.

Kosminen inflaatio on paras selitys sille, miksi maailmankaikkeudessa on rakenteita, sen sijaan että kaikki olisi tasaista puuroa. Inflaation aikana jokin avaruuden täyttävä kenttä ajaa maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista. Inflaation edetessä kentän voimakkuus laskee, kunnes se ei enää lopulta pysty ylläpitämään inflaatiota.

Inflaation aikana kentän kvanttivärähtelyt –sattumanvaraiset kentän arvon muutokset– venyvät hiukkasfysiikan pituuksista kosmisiin mittoihin. Inflaation loppuessa ja laajenemisen hidastuessa kenttä hajoaa, ja kvanttivärähtelyistä tulee epätasaisuuksia tavallisessa aineessa. Kvanttivärähtelyt ovat sitä isompia, mitä hitaammin kentän arvo muuttuu.

Kenttä käyttäytyy kuin pallo, joka vierii mäkeä veden alla. Tässä vertauksessa mäen jyrkkyys vastaa kentän vuorovaikutusta: mitä vahvemmin kenttä vuorovaikuttaa, sitä nopeammin sen arvo laskee. Maailmankaikkeuden laajeneminen hidastaa kentän muutosta, kuten vesi pallon vierimistä. Isompi laajenemisnopeus vastaa tiheämpää nestettä. Kosmologit havainnollistavatkin kentän kehitystä liikkeeseen liittyvien mielikuvien avulla.

Mustien aukkojen aikaansaaminen vaatii isoja epätasaisuuksia, joten kentän pitää liikkua hyvin hitaasti. Erilaisia inflaatiomalleja, joissa on sopivan heikkoja vuorovaikutuksia, onkin ehdoteltu jo joitakin vuosia. Eemeli Tombergin kanssa esitimme syylliseksi Higgsin kenttää.

Nyt kiinnitimme huomiomme siihen, miten kvanttivärähtelyt vaikuttavat kentän vierimiseen mäkeä alas. Yleensä inflaatiossa kvanttivärähtelyt ovat niin pieniä, että niillä ei ole merkitystä liikkeen kannalta. Mutta tapauksissa, missä voi syntyä mustia aukkoja, kvanttivärähtelyjen pitää olla tavallista isompia, ja lisäksi kenttä liikkuu hyvin hitaasti. Niinpä kvanttivärähtelyt saattavat potkia kenttää alas rinnettä, niin että inflaatio tapahtuu nopeammin, tai ylös rinnettä, jolloin inflaatio kestää kauemmin.

Kvanttipotkujen vaikutusta inflaatiokentän liikkeeseen on tutkittu vuodesta 1986 alkaen. Me olimme ensimmäisiä, jotka ottivat johdonmukaisesti huomioon sen, että kenttä vaikuttaa kvanttivärähtelyihin, jotka vaikuttavat kenttään, mikä muuttaa kvanttivärähtelyitä. Aiemmin viimeinen osa ketjua oli jätetty pois, tai sitä oli käsitelty puutteellisesti.

Näitä toisiinsa kytkeytyneitä asioita ei voi laskea kynällä ja paperilla. Niinpä simuloimme inflaatiota tietokoneella 256 miljoonaa kertaa. Seurasimme yksityiskohtaisesti mitä tapahtuu sellaiselle avaruuden alueelle, joka on noin atomin kokoinen vähän inflaation jälkeen. Inflaatiomallimme oli säädetty tuottamaan tuohon mittakaavaan isoja epätasaisuuksia, ja pidimme kirjaa, kuinka usein alueessa on tarpeeksi massaa, että se romahtaa mustaksi aukoksi.

Tuloksena oli, että potkujen kanssa mustia aukkoja syntyy satatuhatta kertaa enemmän kuin ilman niitä. Kvanttivärähtelyt hidastavat kentän kehitystä potkiessaan sitä taaksepäin, mikä puolestaan kasvattaa kvanttivärähtelyitä.

Kuten valtaosa tieteellisistä artikkeleista, työmme on vain pieni askel. Inflaatio ja pimeä aine ovat laajoja tutkimusaiheita. Mustia aukkoja tuottava inflaatio on yksi mahdollisuus monien joukossa, ja tuloksemme edistää sen ymmärrystä hieman.

Muutaman sivun artikkelimme on maistiainen laajemmasta kokonaisuudesta, missä käsittelemme eri massaisia mustia aukkoja, selitämme pulmia ja käymme tarkemmin läpi siitä, miten kvanttivärähtelyjen muutos klassisen fysiikan lakeja noudattaviksi epätasaisuuksiksi liittyy touhuun. Tämä onkin hauska aihe.

14 kommenttia “Potkut ylöspäin”

  1. Cargo sanoo:

    Mutta eikö tuollainen kentän epätasaisuus voisi prosessin aikana synnyttää koko joukon tavallisia hiukkasia ja lennättää ne ympäristöön, jolloin mitään mustaa aukkoa ei ehtisi muodostua? Lisäksi, jos kvanttivärähtelyt ovat luonteeltaan satunnaisia, niin onko riittävän suurten värähtelyiden muodostuminen hyvin perusteltua? Taas toisaalta, estääkö jokin suoraan olettamasta, että heti alkuräjähdyksen jälkeen syntyisi niin korkeaenergeettisiä fotoneita, että ne romahtivat mustiksi aukoiksi?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kentän epätasaisuudet muodostuvat inflaation aikana. Inflaation loputtua kenttä hajoaa tavallisiksi hiukkasiksi, jotka perivät sen epätasaisuudet. Kun on kulunut tarpeeksi aikaa, että ylitiheän alueen eri osat ehtivät liikkua toisiaan kohti, se romahtaa. (Aikaraja tulee siitä, että mitään ei liiku valoa nopeammin, ja maailmankaikkeuden ikä on äärellinen.)

      Romahduksen yhteydessä kaikki aine ei välttämättä päädy mustaan aukkoon, eli osa voi tosiaan lennähtää pois. Tämä ei kuitenkaan tee mustan aukon muodostumisesta mahdotonta, nostaa vain sen kynnystä.

      Artikkelin pääasiallinen sisältö oli juuri tuon värähtelyjen todennäköisyysjakauman muodon selvittäminen.

      Jos ennen inflaatiota on ollut mustia aukkoja, niiden lukumäärätiheys putoaa erittäin pieneksi inflaation aikana (niin että nyt näkemäämme maailmankaikkeuden osaan ei mahdu yhtään), joska avaruus laajenee niin paljon.

  2. Matti sanoo:

    Millä nopeudella tai missä ajassa tällaiset pienet mustat aukot häviävät hawkingsin säteilyn vaikutuksesta.
    Muistaakseni on joskus mainittu että tämän vuoksi pieniä (mikro)mustia aukkoja ei ole havaittu.
    Toki kysymys on mikä on ”pieni” musta aukko hawkingsin säteilyn kannalta tai sitten kuvaamasi skenaarion kannalta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Hawkingin säteilystä tuleva alaraja massalle on 10^(-16) Auringon massaa, eli noin sadasosa tutkimiemme mustien aukkojen massasta. Rajalla olevien massojen tapauksessa ongelma on, että Hawkingin säteilyä pitäisi näkyä mutta sitä ei ole havaittu, pienemmillä se, että mustia aukkoja ei enää olisi.

      Jos massa on alle tonnin ja mustista aukoista jää jäljelle pieni nokare (kuten tutkimme edellisessä artikkelissamme), niin ongelmaa ei ole, koska ne höyrystyvät niin varhain, että säteilystä ei jää havaittavia jälkiä.

  3. Mikähän on näin syntyvien aukkojen pyörimismäärä (suhteesa teoreettiseen maksimiin). Jos se on pieni, ehkä silloin niiden muodostuessa ei syntynyt kertymäkiekkojakaan, ja ainetta ei lentänyt pois paljoa. Pohdiskelen että voisiko kertymäkiekkojan säteily ja poislentävä aine näkyä jonain seurauksina, tai kääntäen jos seuraukset ovat ei-haluttuja, voisiko niitä sulkea pois impulssimomentin kautta.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nämä mustat aukot eivät syntyessään juuri pyöri. Kun tällainen musta aukko muodostuu, niin siihen romahtaa melkein kaikki aine, joka on yhden Hubblen säteen sisällä, ja tällaisessa mittakaavassa pyöriminen on vähäistä.

      Nämä mustat aukot syntyvät varhaisina aikoina, kun aine on tiheää plasmaa, eli ympäristö on erilainen kuin nykyään. On eri näkemyksiä siitä, mikä on oikea tapa mallintaa tällaista romahdusta, ja se vaikuttaa siihen, kuinka korkea kynnys mustien aukkojen muodostumiseen on.

  4. Lentotaidoton sanoo:

    ”Pari vuotta sitten minä ja Eemeli Tomberg tutkimme sitä mahdollisuutta, että pimeä aine koostuu höyrystyneiden mustien aukkojen jäänteistä, joiden massa on mikrogramman luokkaa. Nyt katselimme tavanomaisempia mustia aukkoja, joilla on massaa noin 10^(16) eli kymmenen miljoonaa miljardia kiloa, saman verran kuin kohtuullisella asteroidilla. Tällaiset mustat aukot olisivat atomin kokoisia.”

    Tutkitte toisaalta mahdollisuutta mikrogramman aukkojen höyrystymisjäänteiden ja toisaalta noin asteroidin painoisten mutta atomin kokoisten aukkojen jäänteiden mahdollisuutta pimeäksi aineeksi.

    Olisivatko näiden erilaisten prosessien tuloksena syntyneet pimeän aineen hiukkaset samoja? Ja kumpi linja olisi teidän mukaan todennäköisempi – painavat WIMPIT vai kevyet axionit? Vai jotain vallan muuta? Eli ei ollenkaan hiukkasia? Mutta ilmeisesti koska tutkitte Higgsin osuutta inflatoniksi, niin sitten näiden pitäisi olla hiukkasia?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Yhdessä tapauksessa pimeä aine koostuu mustista aukoista, toisessa mustien aukkojen jäänteistä. Ajatuksena on se, että pimeä aine ei koostu hiukkasista.

      Kummassakin tapauksessa inflaatiota ajava kenttä hajoaa ensin hiukkasiksi (jotka voivat olla mitä vain, sillä ei ole väliä). Siellä, missä hiukkasia on paljon keskivertoa enemmän niiden kasa sitten romahtaa mustaksi aukoksi. Se ajaako inflaatioa Higgs vai jokin muu kenttä ei sekään ole oleellista, kunhan se vain saadaan vierimään tarpeeksi hitaasti.

  5. Lentotaidoton sanoo:

    OK, ei hiukkasia.

    ”Tuloksena oli, että potkujen kanssa mustia aukkoja syntyy satatuhatta kertaa enemmän kuin ilman niitä. Kvanttivärähtelyt hidastavat kentän kehitystä potkiessaan sitä taaksepäin, mikä puolestaan kasvattaa kvanttivärähtelyitä.”

    Toinen kysymys: Mikä nimenomaan Higgsin kentässä (jota ehdotatte) on sellaista, että että se potkii taaksepäin tehokkaammin (eli vieriminen tarpeeksi hidasta) kuin jokin muu ehdotettu kenttä. Onko se syy Higgsin (epätavallinen) VEV?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Nokareiden tapauksessa käytimme hyväksi kvanttikorjauksia Higgsin vuorovaikutukseen itsensä kanssa. Top-kvarkki heikentää Higgsin vuorovaikutusta itsensä kanssa (kyse on siis prosesseista, missä Higgs hajoaa virtuaalisiksi top-kvarkeiksi ja sitten palautuu itsekseen), ja jos tätä säätää herkästi, niin saa potentiaaliin paikallisen kuopan, jonka yli kenttä juuri ja juuri pääsee vierimään. Ylös rinnettä tullessa kentän nopeus voi mennä miten pieneksi tahansa, joten kvanttivärähtelyistä saa hyvin isoja.

      Periaatteessa Standardimallin kaikki vuorovaikutukset tunnetaan, mutta kentän käytös inflaation aikana on niin herkkä matalaan energian (eli LHC:ssä käytetyn energian) arvoilla mitatuille hiukkasten massoille ja kytkennöille, että mittausvirheiden rajoissa voi saada hyvin erilaista käytöstä, ja lisäksi matalan energian ja inflaation välistä yhteyttä ei täysin tunneta, mikä antaa säätämisvaraa.

      Tässä uudessa artikkelissa käytettyä kenttää ei oikein voi sanoa Higgsiksi. Ensimmäisessä artikkelissa nimittäin osoitimme, että Higgsin tapauksessa mustien aukkojen massa ja kosmisen mikroaaltotaustan epätasaisuudet ovat tiukasti kytköksissä: kun säätää Higgsin potentiaalia pienten mustien aukkojen tuottamiseksi, ei voi välttää sen muuttamista myöskin isommilla mittakaavoilla. Niinpä tässä artikkelissa otimme Higgsin potentiaalin ja säädimme sitä käsin sopivaksi.

      Se on siis esimerkki siitä millaista käytös on jos malli tuottaa sekä mustien aukkojen että muiden rakenteiden siemenet, ei hiukkasfysiikasta johdettu malli sellaiselle.

  6. Lentotaidoton sanoo:

    ”Periaatteessa Standardimallin kaikki vuorovaikutukset tunnetaan, mutta kentän käytös inflaation aikana on niin herkkä matalaan energian (eli LHC:ssä käytetyn energian) arvoilla mitatuille hiukkasten massoille ja kytkennöille, että mittausvirheiden rajoissa voi saada hyvin erilaista käytöstä, ja lisäksi matalan energian ja inflaation välistä yhteyttä ei täysin tunneta, mikä antaa säätämisvaraa.”

    OK, kiitos selvennyksestä. Eli kun data sekä Higgsin että top-kvarkin massoista (ja kytkennöistä) tulevaisuudessa parantuu, niin pelivara käsintehdylle veivaamiselle pienenee. Kun joskus (2027) saamme HL-LHC:n niin tämä(kin) hienosäätö paranee. Kö? Vai onko uutta odotettavissa jo ensi keväänä remontin jälkeen alkavissa ajoissa (run 3). Riittäkö tämäkään vai onko odotettava luminositeetin radikaaliin parantumiseen 2027?

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Tilanne on sikäli hassu, että top-kvarkin virherajan isoin osa on tällä hetkellä teoreettinen (kokeellinen 0.4 GeV, teoreettinen noin 0.5 GeV). Laskut ovat niin monimutkaisia, että mitatun suureen ja teoreettisen suureen yhdistämisessä kunnolla menee varmaan vielä vuosia.

      En itse asiassa tiedä HL-LHC:ltä odotettavia virherajoja Higgsin massalle, top-kvarkin massalle ja QCD:n kytkentävakiolle (nämä ovat kolme Higgsin käyttäytymisen korkeilla energioilla määräävää numeroa). Mutta koska Higgsin käytös inflaatioskaalalla on eksponentiaalisen herkkä mitatuille arvoille, tilanne ei ehkä juuri muutu siitä, että LHC ja HL-LHC pienetävät virherajoja.

      Lisäksi tässä touhussa suurempi ongelma on LHC:n mittaaman sähköheikon skaalan yhdistäminen inflaation skaalaan, koska teorian kvanttikorjaukset ovat (tai sanotaan että voivat olla) välissä sellaisia, mitä ei osata käsitellä, koska teoria on ei-renormalisoituva sen takia, miten Higgs kytkeytyy gravitaatioon.

  7. Erkki Kolehmainen sanoo:

    Pimeän aineen hiukkasia (WIMPejä, axioneja ja ties mitä) on etsitty vuosikymmeniä tonnilla tankissa ja muilla ilmaisimilla, mutta turhaan. Nyt yllättäen pälähti sitten ajatus päähän, että jospa pimeä aine ei olekaan hiukkasia? Nyt olen huuli pyöreänä, että mitä pimeä aine sitten on? Oma käsitykseni on, että kaikki aine koostuu fotoneista.

    1. Syksy Räsänen sanoo:

      Kuten merkinnässä mainitaan, ajatus mustista aukoista pimeänä aineena on 45 vuotta vanha. Siis vanhempi kuin idea WIMPeistä tai aksioneista.

      Kaikki aine ei koostu fotoneista. Ei siitä sen enempää.

Vastaa käyttäjälle Pekka Janhunen Peruuta vastaus

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *