Mustat aukot filmitähtinä

2019 nähtiin ensi kertaa kuva mustasta aukosta. Nyt aiotaan laajan teleskooppi­verkoston avulla laatia video Linnunradan supermassiivisesta mustasta aukosta. Filmi voi kertoa, mitä tapahtuu, kun teoriat universumista joutuvat tulikokeeseen.

2019 nähtiin ensi kertaa kuva mustasta aukosta. Nyt aiotaan laajan teleskooppi­verkoston avulla laatia video Linnunradan supermassiivisesta mustasta aukosta. Filmi voi kertoa, mitä tapahtuu, kun teoriat universumista joutuvat tulikokeeseen.

Shutterstock

Epäselvä kuva, jossa pyöreän mustan varjon reunamilla häilyi vähän keltaista ja oranssia valoa, ei näyttänyt juuri miltään, kun se esiteltiin julkisuudessa 10. huhtikuuta 2019. Kyseessä oli kuitenkin jymyuutinen: kaikkien aikojen ensimmäinen kuva mustasta aukosta.

Tai pikemminkin kuva siitä, mitä on juuri mustan aukon ympärillä. Kuten nimikin kertoo, mustat aukot ovat näkymättömiä, koska niiden valtava painovoima imee kaiken puoleensa ja estää jopa valon pakenemasta.

Kuvasta erottuivat silti niin terävästi mustan aukon ääriviivat, että tutkijat saattoivat sanoa ensi kertaa ”nähneensä sen, mitä oli pidetty mahdottomana nähdä”.

Mustat aukot ovat mustuudestaan huolimatta tähtitieteen tutkituimpia ilmiöitä. Se johtuu paitsi niiden salaperäisyydestä myös siitä, että ne astrofyysikoiden mukaan vaikuttavat ratkaisevasti universumin kehitykseen sekä galaksien, tähtien ja planeettojen – ja lopulta myös ihmisten – syntyyn.

Siksi tähtitieteilijät tarkkailevat kaikkea, mikä tapahtuu lähellä mustia aukkoja, kun niiden valtava painovoimavaikutus kieputtaa aikaa ja avaruutta.

Ja siksi sadat tutkijat tarkkailivat ulkoavaruutta vuosikausia maailmanlaajuisella teleskooppiverkostolla saadakseen kuvaan pimeää varjoa ympäröivän epäselvän keltaisen ja oranssin renkaan.

Kuolleet tähdet eivät näy

Valokaan ei pääse pakoon mustista aukoista. Näiden mustien imurien olemassaolo paljastuu silti, koska niiden painovoimakenttä vaikuttaa ympäristöön.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Tähdet kiertävät mustan aukon ympärillä

Tähtitieteilijät havaitsevat mustan aukon usein siitä, että tähdet vaikuttavat kiertävän "ei mitään", toisin sanoen kohdetta, joka on hyvin massiivinen mutta joka ei säteile. Se voi olla vain musta aukko.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Säteilystä paljastuu valtavan suuri energia

Valo tai muu säteily ei pääse ulos mustasta aukosta, mutta aukkoa ympäröivästä kiekosta lähtee voimakasta säteilyä, koska kaasu ja pöly kieppuvat siinä nopeasti ja kuumenevat miljooniin asteisiin.

© NASA/JPL-Caltech & ESO/MPE/S. Gillessen et al. & NASA/CXC/W. Forman et al. & NASA’s Goddard Space Flight Center

Gravitaatioaallot vääristävät avaruutta

Kun kaksi mustaa aukkoa sulautuu yhteen, vapautuu energiaa gravitaatioaaltoina, jotka vyöryvät avaruuden halki ja vääristävät sitä. Aaltoja voidaan mitata äärimmäisen herkillä ilmaisimilla Maassa.

Astronomit ovat vasta päässeet alkuun. Nyt he suuntaavat teleskooppinsa kohti Linnunradan keskuksen mustaa aukkoa – ei niinkään ottaakseen pikakuvan vaan tallentaakseen elokuvan, joka voi näyttää, pätevätkö fysiikan lait äärimmäisissä oloissa.

Ympäristö paljastaa mustat aukot

Lyhyesti sanottuna musta aukko on äärimmäisen suuri massa puristuneena pienelle alueelle.

Painovoimasta tulee yhä voimakkaampi aukon keskusta lähestyttäessä, ja keskellä on niin paljon massaa keskittyneenä häviävän pienelle alueelle, että voimasta tulee äärettömän suuri – niin suuri, että se taivuttaa sekä avaruutta että aikaa ympärillään. Tätä pistettä kutsutaan singulariteetiksi.

Mustan aukon kuva on ”varjokuva”. Siluetin muodostavat aukon takana olevat fotonit, joita painovoima taivuttaa ja jotka tulevat Maata kohti.

© ken ikeda madsen/Shutterstock

Sen esitteli Albert Einstein, kun hän 1915 julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa, joka on paras kuvaus painovoiman luonteesta. Einstein tosin epäili mustien aukkojen olemassaoloa, mutta nykyään ne ovat astrofyysikoiden ainoa selitys ilmiöille, joita voidaan havaita aukkojen ympärillä.

Aukkojen tiheys on niin suuri, että tutkijat pitävät niitä luonnon laboratorioina, joissa voidaan kokeilla, pitääkö käsityksemme painovoimasta paikkansa, jos voima puristuu äärimmilleen.

Mustan aukon ympärillä kieppuu pölyä ja kaasua kertymäkiekossa. Kiekon sisin osa imeytyy asteittain aukkoon painovoiman vaikutuksesta.

Kun aine tulee tarpeeksi lähelle, se ohittaa tapahtumahorisontin, joka ehkä onkin fysiikan kiehtovin rajalinja. Jos kappale tai valo ohittaa sen, se ei enää koskaan pääse takaisin.

Tapahtumahorisontti asettaa rajan myös sille, miten pitkälle mustaan aukkoon voidaan nähdä.

VIDEO: Asiantuntijat vastaavat kysymykseen – “Miksi kuva on niin epäselvä?”

Mustia aukkoja joudutaan tutkimaan tarkkailemalla niiden ympäristön tapahtumia. Aukon painovoima saa esimerkiksi tähdet kiertämään sitä, ja aukon massa voidaan arvioida tähtien massasta ja radasta.

Mustan aukon läheltä lähtee erittäin kuumista kaasuista peräisin olevaa voimakasta säteilyä, joka voidaan mitata Maassa.

Tapahtumahorisontin lähellä painovoimakenttä on niin voimakas, että säteilyn yksittäiset osat, fotonit, lukkiutuvat aukkoa kiertäville radoille. Radat ovat epävakaita, ja siksi fotonit joko imeytyvät aukkoon tai sinkoutuvat pois.

Jotkin niistä syöksyvät meitä kohti ja saapuvat Maahan miljoonien vuosien kuluttua, jos ne eivät ole matkalla törmänneet esteisiin, jos muut raskaat kappaleet eivät ole taivuttaneet niiden rataa tai jos Maan ilmakehän vesihöyry ei ole nielaissut niitä taipaleen viime metreillä.

Event Horizon Telescope koostuu 11 teleskoopista, jotka muodostavat yhdessä koko maapallon laajuisen "virtuaalinäytön". Kukin teleskooppi kattaa tietyn alueen ja tuo oman osuutensa kokonaiskuvaan.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Mustan aukon säteily tulee Maahan

Astronomit tarkkailevat mustia aukkoja teleskoopeilla, jotka vastaanottavat radioaaltoja. Toisin kuin näkyvä valo radioaallot pääsevät ilmakehän läpi Maan pinnalle asti.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Teleskoopit tarkkailevat aina puoli vuorokautta

Maan pyörimisen vuoksi kukin teleskooppi näkee mustan aukon puolet vuorokaudesta. Kun tele­skooppi on ”väärällä” puolella, vuoro siirtyy verkoston muille laitteille.

© Ken Ikeda Madsen & Dr. Nimesh Patel

Pyörimisliike tekee kuvista tarkempia

Kukin teleskooppi kattaa pistemäisillä havainnoillaan tietyn pitkänomaisen alueen yhteisestä "näytöstä", kun maapallo pyörii. Se parantaa kuvien tarkkuutta.

Mustien aukkojen säteily ei tule Maahan näkyvänä valona vaan radioaaltoina. Niitä vastaanottaa maailmanlaajuinen radioteleskooppiverkosto Event Horizon Telescope (EHT).

Se mittaa säteilyä, jonka aallonpituus on 1,3 mm. EHT-teleskoopit mittasivat mustan aukon M87* säteilyä huhtikuussa 2017. Seitsemässä päivässä EHT keräsi viisi petatavua dataa.

Erään tutkimuksen mukaan se vastaisi 40 000 ihmisen koko elämän aikaista selfietuotantoa. Niin suuri tietomäärä on nopeampi kuljettaa fyysisesti kuin siirtää internetin kautta, joten tiedot kerättiin kahdessa datakeskuksessa kovalevyille.

Tutkijat ”käänsivät” radioaallot näkyviksi väreiksi – keltainen edusti voimakkainta säteilyä, punainen edusti vähän heikompaa, ja mustia pikseleitä oli kohdissa, missä ei havaittu lainkaan säteilyä.

Juuri tämän työskentelytavan ansiosta EHT-tutkijat pystyivät pari vuotta myöhemmin esittelemään kuvan, josta tuli kuuluisa. Kuva oli etenkin siksi uraauurtava, että se ensi kertaa näytti itse tapahtumahorisontin.

Se on pyöreä, tumma kiekko, jota keltainen ja oranssi valo ympäröivät. EHT:n astronomit ovat laskeneet, että M87*:n tapahtumahorisontin läpimitta on noin 39,2 miljardia kilometriä.

39,2 mrd. kilometriä on 2019 kuuluisaksi tulleen mustan aukon M87* läpimitta.

Linnunradan musta aukko kummastuttaa tutkijoita

Linnunrata kiertää Sagittarius A -nimistä mustaa aukkoa. Tähtitieteilijät tutkivat sen säteilyä ratkaistakseen useita galaksin mustaan keskukseen liittyviä arvoituksia. He haluavat esimerkiksi selvittää, miksi Sagittarius A näyttää nielevän vähemmän ainetta kuin muut mustat aukot.

Miksi aukko nielee niin vähän ainetta?

Sagittarius A* -aukon säteily viittaa siihen, että se muihin mustiin aukkoihin verrattuna nielee kertymäkiekostaan hyvin vähän kaasua ja pölyä. Selitys on aukon magneettikenttä, joka pakottaa kertymäkiekon aineen vakaille radoille, joilta aine ei imeydy aukkoon. Magneettikenttää tutkitaan mm. SOFIA-teleskoopilla, joka on sijoitettu Boeing 747 -koneeseen.

© NASA

Paljonko massaa aukossa on?

Sagittarius A*:n massaksi ilmoitetaan useimmiten neljä miljoonaa Auringon massaa, mutta tarkasti asiaa ei tiedetä. Massa on arvioitu tarkkailemalla tähtiä, jotka kiertävät lähellä aukkoa soikeilla radoilla. 2008 yhdysvaltalaistutkijat arvioivat massaksi 3,7 miljoonaa Auringon massaa, mutta seuraavana vuonna saksalaistutkijat saivat tulokseksi 4,3 miljoonaa.

© Ken Ikeda Madsen

Entä suihkuvirtaukset?

Supermassiivisissa mustissa aukoissa on usein jetejä eli suihkuvirtauksia, jotka sinkoutuvat vastakkaisiin suuntiin kertymäkiekon sisimmästä osasta. Sydneyn yliopistossa on analysoitu kaksi jättimäistä Sagittarius A*:sta pullistuvaa kaasukuplaa. Ilmeisesti aukko nielaisi valtavan kaasupilven 3,5 miljoonaa vuotta sitten ja samalla osa kaasusta purskahti eri suuntiin samoin kuin jetit.

© NASA’s Goddard Space Flight Center

Miksi säteily äkkiä kirkastui?

Toukokuussa 2019 Sagittarius A*:n säteily kaksinkertaistui äkkiä. Syytä ei tiedetä varmasti, mutta on arveltu, että tähti S0-2 on ohittanut mustan aukon hyvin läheltä ja saanut sitä ympäröivän kaasun kasautumaan ja kiihdyttämään vauhtiaan niin, että se syöksyi yhdellä rysäyksellä kohti aukkoa. Siitä seurasi jättiläismäinen energiapurkaus.

Linnunradan aukko on kuin lapsi

M87:n massa on noin 6,5 miljardia kertaa Auringon massa, ja se on niin sanottu supermassiivinen musta aukko. Myös Linnunradan keskuksessa on supermassiivinen musta aukko, Sagittarius A, jonka ympäri koko galaksi kiertää.

M87 ja Sagittarius A eroavat toisistaan siten, että M87:n massa on noin 1 600 kertaa niin suuri kuin Linnunradan aukon, mutta toisaalta M87 on 2 000 kertaa niin kaukana meistä. Massan ja etäisyyden erot ”kumoavat” osin toisensa.

Maasta katsottuna ei siten näiden aukkojen näennäisellä koolla ole kovin suurta eroa. Kokoerolla on kuitenkin toinen, ratkaiseva merkitys: nopeus.

M87* on kiitollinen kohde, koska sitä voidaan kuvata pitkällä ”suljinajalla”. Aukon säteily pysyy useita tunteja lähes muuttumattomana, sillä kaasut kieppuvat aukon ympärillä hyvin hitaasti.

Hitaus johtuu siitä, että kaasut ovat kaukana pisteestä, johon mustan aukon massa on keskittynyt, eli massakeskipisteestä. Sagittarius A*:n kohdalla tilanne on päinvastainen.

Kaasut liikkuvat nopeasti, koska ne ovat lähellä massakeskipistettä. Tutkijat vertaavat M87-aukkoa aikuiseen, joka istuu hiljaa kuvattaessa, kun taas Sagittarius A on kuin kolmivuotias lapsi, joka heiluu joka suuntaan. Ongelma voidaan ratkaista tekemällä video valokuvan sijaan.

Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA) Japanissa on uusi laite, joka voi havaita mustien aukkojen yhteentörmäyksessä mahdollisesti syntyneet gravitaatioaallot.

© KAGRA Observatory

Tutkijat aikovat säätää EHT-verkoston teleskoopit vastaanottamaan radiosäteilyä, jonka aallonpituus on lyhyempi, nimittäin 0,87 millimetriä aiemman 1,3 millimetrin sijaan.

Tutkijoiden mukaan se voi parantaa kuvien tarkkuutta 30–50 prosenttia. Lisäksi he aikovat koota yhteen otoksia vielä aiempaa useammasta teleskoopista.

EHT:n aiempiin kahdeksaan teleskooppiin on nyt lisätty kolme, yksi Grönlannista, yksi Ranskasta ja yksi Arizonasta USA:sta.

Näin yhdistetään kaikkiaan 11 teleskoopin otokset. Lisäksi tutkijat aikovat käyttää StarWarps-nimistä tietokoneohjelmaa koostaakseen kuvista yhtenäisen filmin.

StarWarps voi analysoida joukoittain kuvia ja arvioida, millaisia välistä pois jääneet kuvat todennäköisesti olisivat.

Näin ohjelma voi täydentää kuvajonon tietokoneen luomilla kuvilla niin, että lopputulos ei vaikuta katkonaiselta diaesitykseltä vaan sujuvasti etenevältä elokuvalta.

Mustat aukot työvälineinä

Elokuva Linnunradan keskuksen mustasta aukosta voi selvittää monta kysymystä. Tutkijat haluavat esimerkiksi tietää lisää siitä, miten mustan aukon magneettikentät ”tönivät” kertymäkiekon ainetta.

Teorian mukaan mustan aukon painovoima yhdessä pyörimisliikkeen kanssa vääntää magneettikenttää, joka vaikuttaa aukkoa ympäröiviin varautuneisiin hiukkasiin.

Osa hiukkasista putoaa aukkoon, kun taas osa paiskautuu kauas. Ei kuitenkaan tiedetä, kuinka paljon ainetta kumpaankin suuntaan ajautuu.

Vastaus ehkä saadaan videosta, jossa näkyy Sagittarius A*:ta ympäröivä aine. Hiukkaset voivat päätyä myös jeteihin eli suihkuvirtauksiin, joita sinkoaa kertymäkiekon sisimmästä reunasta.

Maailmanlaajuisen Event Horizon Telescope (EHT) -teleskooppiverkoston tutkijat aikovat laatia Linnunradan keskuksen mustasta aukosta videon. He ovat kehittäneet tekniikan, joka yhdistää havainnoista saadut ja tietokoneella luodut kuvat filmiksi.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Teleskoopit rekisteröivät havainnot täsmällisesti

Linnunradan mustan aukon säteily saapuu EHT:n 11 teleskooppiin Maahan. Kunkin havainnon rekisteröivät atomikellot, jotka jätättävät vain sekunnin 10 milj. vuodessa.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Kovalevyt kuljetetaan kahteen keskukseen

Noin 500 kiloa teleskooppien datalla täytettyjä kovalevyjä lennätetään Cambridgeen USA:han ja Bonniin Saksaan, missä supertietokoneet kokoavat kaikki havainnot.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Koko maailman havainnot kootaan

Kukin havainto tuottaa oman pienen osansa kokonais­kuvaan, jossa käytetään näkyvän valon värejä edustamaan mustasta aukosta mitattuja radioaaltoja.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Tietokone täyttää aukot todennäköisillä kuvilla

Kukin mustan aukon kuva ”kehitetään” yhden yksittäisen teleskoopin tekemistä usean minuutin pituisista havainnoista. StarWarps-tietokoneohjelma rekisteröi
pienet muutokset, jotka tapahtuvat ”suljinajan” kuluessa. Muutosten pohjalta StarWarps luo todennäköisimmät välistä puuttuvat kuvat, jotta tulokseksi saadaan yhtenäinen filmi.

Seuraava kysymys, johon Sagittarius A*:n filmaaminen voi vastata, on se, miten supermassiiviset mustat aukot alun perin ovat syntyneet.

Niitä on useimpien galaksien keskuksessa, ja ne ovat syntyneet samanaikaisesti galaksien kanssa. Jotkin supermassiiviset aukot, massaltaan jopa 30 miljardia Auringon massaa, ovat kuitenkin liian kaukana sopiakseen teoriaan.

Esimerkki niistä on aukko J2157, josta nyt saapuva valo lähti liikkeelle universumin ollessa vain 1,2 miljardia vuotta vanha. Vallitsevien teorioiden mukaan yli 20 Auringon massaisia aukkoja ei olisi pitänyt vielä olla niin varhaisessa vaiheessa.

Sagittarius A*:n video voi vihjata tutkijoille, miten Linnunradan musta keskus on muodostunut, ja siten selittää, miten "mahdottomat" mustat aukot syntyvät.

EHT-verkoston astronomit filmaavat myös muita mustia aukkoja. Haaveena on filmiluettelo, jonka avulla tutkijat voivat vertailla eri-ikäisiä supermassiivisia mustia aukkoja seuratakseen niiden kehitystä.

Kvantti­gravitaation ongelma ei nykyvälineillä ratkea. Vastausta kannattaa etsiä mustista aukoista. Avery Broderick, astrofyysikko

Nykyään EHT kerää koko maapallolla säteilyä suurimmalle mahdolliselle ”paraboliselle näytölle”, mutta EHT-astronomit toivovat satelliittiteleskooppien verkostoa.

Siinä EHT:n läpimitta kasvaisi ja satelliitit voisivat vastaanottaa säteilyä, joka muuten imeytyy Maan ilmakehään.

Alankomaalaisessa Radboud-yliopistossa on laskettu, että satelliittiverkoston ansiosta kuvien tarkkuus viisinkertaistuisi nykyiseen EHT:hen verrattuna.

Tarkkojen videoiden luettelo on vasta esimakua siitä, mitä kaikkea avaruuteen laajentuvalla EHT:llä voidaan saavuttaa.

Tutkijoiden päämäärä on itse tieteen mullistaminen todistamalla, että fysiikan kaksi perusteoriaa voidaan yhdistää.

Einsteinin suhteellisuusteoria selittää universumin isossa mittakaavassa, ja se on yhä paras selitys mustien aukkojen käyttäytymiselle.

Sitä on kuitenkin ollut mahdotonta yhdistää kvanttimekaniikkaan, joka taas kuvaa kaikkeuden pienimpiä osasia.

Astrofyysikot ovat jo keksineet nimen teorialle, joka ehkä yhdistää nämä kaksi: kvanttigravitaatio. Todisteet teorialle, joka olisi yli sataan vuoteen suurin vallankumous fysiikassa, saattavat kätkeytyä mustien aukkojen liepeille.

EHT-fyysikko, kanadalainen Avery Broderick on todennut kvanttigravitaatiosta näin: ”Nykyisillä työvälineillä kvanttigravitaation ongelma ei ratkea.

Mustat aukot ovat yksi paikoista, mistä ratkaisua voidaan etsiä. – – Jännittävintä, mitä voisimme tehdä, olisi lyödä laudalta Einstein osoittamalla, että tähän äärimmäisen painovoiman laboratorioon kätkeytyy jotain aivan uutta.”