Mustat aukot rei'ittävät universumin

Seuraavat vuosikymmenet osoittivat, etteivät suhteellisuusteoria ja ajatus universumin mustista aukoista olleet matemaattista spekulointia vaan fysiikan tosiasioita.

Nykyään tiedetään, että mustat aukot vaikuttavat ratkaisevasti havaitsemiimme ilmiöihin, esiintyivätpä ne sitten Linnunradassa tai miljardien valovuosien päässä sijaitsevissa vieraissa galakseissa. Ja suhteellisuusteoria on edelleenkin paras apuväline niiden ymmärtämiseen.

Musta aukko on avaruuden kohta, johon on kasautunut niin paljon massaa pienelle alueelle, että painovoimasta tulee käsittämättömän voimakas – edes valo ei pääse siitä karkaamaan. Juuri siksi sitä kutsutaan mustaksi aukoksi.

Ensimmäisenä nimitystä käytti yhdysvaltalainen fyysikko John Wheeler, ja hänkin vasta vuonna 1967. Ajatus siitä, että painovoima voi vangita valon, on kuitenkin huomattavasti vanhempi.

Ensimmäiset asiaa pohtineet tutkijat toimivat jo 1780-luvulla, 150 vuotta ennen Eddingtonia. Yksi heistä oli John Michell.

Hän oli monen tuon ajan luonnontieteilijän tavoin koulutukseltaan teologi, ja seurakunnassaan Thornhillissa Englannissa hän omistautui papin työn ohella tieteellisille tutkimuksille.

Pappi kehitteli ajatusta mustista aukoista

John Michell nojautui siihen matemaattisen ajattelun malliin, jonka Isaac Newton oli luonut 100 vuotta aiemmin esittämällä painovoimalakinsa. Sen mukaan ne voimat, jotka pitivät planeetat kiertoradoillaan, olivat samoja kuin ne, jotka saivat omenan putoamaan maahan.

Michellin aikana oli yleistä tarkastella valoa hiukkasina, joilla on massa niin kuin muillakin hiukkasilla. Se taas sai hänet pohtimaan, mitä oikeastaan tapahtui tähdestä lähtevälle valolle.

Jos tähti olisi riittävän kookas, painovoimahan vetäisi puoleensa valohiukkasia ja jarruttaisi niiden kulkua. Ja jos tähti olisi vieläkin suurempi, valo ei pääsisi siitä lainkaan pois.

Tällaista kappaletta Michell kutsui ”pimeäksi tähdeksi” ja arveli, että täytyi olla olemassa joukoittain valtavia tähtiä, joita ei vain voida nähdä, koska valo jää niiden vangiksi. Michellin ajatuksissa oli paljon itua, ja ne muistuttivat monella tavoin nykyistä käsitystä mustista aukoista, vaikkakaan hänen teoriansa edellytykset eivät olleet oikeita. Michelliltä puuttui tietoa etenkin kolmelta alueelta.

Ensinnäkin hän oletti, että valolla on massa, johon painovoima voi vaikuttaa. Nykyään tiedetään, ettei valolla ole massaa.

Toiseksi Michell ei tiennyt, että hänen kuvittelemansa valtavan kokoluokan tähdet ovat liian epävakaita säilyäkseen. Nykyään tiedetään, että ne luhistuvat ja niistä todellakin tulee mustia aukkoja.

Kolmanneksi Michell ei ymmärtänyt kovin hyvin painovoiman vaikutusta. Nykyään tiedetään Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian perusteella tarkemmin, miten massa, avaruus, aika ja valo vaikuttavat toinen toisiinsa.

Einstein laati universumille uudet yhtälöt

Einsteinin teoria sisältää niin sanottuja kenttäyhtälöitä, jotka kuvaavat avaruutta aivan toisella tavalla kuin se yleensä koetaan. Arkielämässä hahmotamme ympäröivän maailman kolmessa tilaulottuvuudessa, kun taas Einsteinin universumiin kuuluu neljäntenä ulottuvuutena aika. Näin syntyy neliulotteinen suure, niin sanottu aikaavaruus.

Neliulotteista tilaa on vaikea kuvitella. Siksi aika-avaruus yleensä esitetään visuaalisesti kaksiulotteisena levynä tai kankaana yhdistämällä neljä ulottuvuutta kahdeksi.

Kukin massallinen kappale vaikuttaa aika-avaruuteen ja vääristää sitä. Asiaa voi havainnollistaa ajattelemalla, että kappale painaa kangasta ja luo siihen kuopan. Lyhyesti sanottuna massan ja aika-avaruuden välillä vallitsevat seuraavat yhteydet:

• Massa vaikuttaa aika-avaruuteen ja määrää, miten sen tulee kaareutua.
• Aika-avaruus vaikuttaa massaan ja määrää, miten sen tulee liikkua.

Esimerkiksi maapallon massa aiheuttaa aika- avaruuteen maljamaisen kaareutuman, ja juuri tämä syvennys havainnollistaa painovoiman vaikutuksen.

Kun Kuu kiertää Maata, se johtuu siis siitä, että se ”vierii” syvennyksen reunaa pitkin. Mitä raskaampi kappale on, sitä suurempi on sitä ympäröivä malja tai syvennys.

Einsteinin kenttäyhtälöissä fyysikot voivat vaihdella eri suureiden arvoja ja katsoa, miten ne vaikuttavat aika-avaruuteen. Jos esimerkiksi hyvin pienelle kappaleelle pannaan hyvin suuri massa, aika-avaruus kaareutuu niin voimakkaasti, että kappaleen ympärille syntyy syvä kaivo eli niin sanottu painovoimakaivo.

Jos tämä hyvin painava kappale on niin pieni, ettei sillä ole käytännössä tilaulottuvuuksia, tulos on vielä oudompi. Painovoimakaivosta tulee niin syvä, etteivät Newtonin klassiset painovoimalait enää päde.

Äärettömän syvän painovoimakaivon keskusta kutsutaan singulariteetiksi. Juuri tällainen singulariteetti on mustan aukon ydin.

Einstein epäili omaa teoriaansa

Sen, että singulariteetti ylipäätään voi syntyä, ymmärsi ensimmäisenä saksalainen fyysikko Karl Schwarzschild. Jo 1915 – samana vuonna, jona Einstein julkaisi yleisen suhteellisuusteoriansa – Schwarzschild paneutui kenttäyhtälöihin ja keksi ratkaisuja, jotka johtivat singulariteettiin.

Vuosikymmenien ajan hänen tuloksiaan pidettiin kuitenkin matemaattisina kikkailuina, joilla ei ollut mitään tekemistä todellisuuden kanssa. Itse Einsteinkaan ei uskonut, että singulariteetteja on olemassa. Vielä vuonna 1939 hän julkaisi tiedeartikkelin, jossa hän monimutkaisten matemaattisten argumenttien kautta päätyi johtopäätökseensä:

”Tämän tutkimuksen tulos on selkeä näkemys siitä, miksi Schwarzschildin singulariteetteja ei ole olemassa fysikaalisessa todellisuudessa.”

Einsteinia epäilyttivät myös hänen oman teoriansa seuraukset. Singulariteetti tuokin mukanaan ison joukon lähes käsittämättömiä johtopäätöksiä.

Singulariteetissa painovoima on niin voimakas, että mikään ei pääse sieltä pois, ei edes valo. Vaikka valolla ei ole massaa, siihen vaikuttaa silti painovoimakenttä. Valo seuraa aika-avaruuden kaareutumista, ja siksi se saattaa jäädä vangiksi painovoimakaivoon samalla tavalla kuin aine, joka ajautuu liian lähelle.

Samoin kuin raketti vaatii tietyn nopeuden (11 000 metriä sekunnissa) irtautuakseen Maan painovoimakentästä, valo ja ainehiukkaset tarvitsevat vauhtia päästäkseen pois mustaa aukkoa ympäröivästä painovoimakaivosta. Fyysikot nimittävät tätä pakonopeudeksi.

Universumissa on kuitenkin vauhdille yläraja: mikään ei voi liikkua nopeammin kuin valo, jonka nopeus on 299 792 458 metriä sekunnissa. Jos jokin on niin lähellä singulariteettia, että sen pakonopeus ylittää tämän kosmisen nopeusrajoituksen, se ei pääse singulariteetista koskaan pois.

Mustan aukon ympärillä on siksi tarkkarajainen sfääri, josta valokaan ei pääse karkaamaan.

Sfäärin rajaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi, ja mitään siitä, mitä sen takana tapahtuu, ei voida nähdä. Toisaalta juuri horisontin ulkopuolella oleva aluekin tarjoaa tutkijoille riittävästi pohdittavaa.

Massan suuri tiheys pysäyttää ajan

Jos kuvitellaan, että avaruusraketti lähetetään kohti mustaa aukkoa, tapahtuu jotakin käsittämätöntä. Raketin nähdään lähestyvän mustaa aukkoa yhä kiihtyvää vauhtia, kunnes se saavuttaa tapahtumahorisontin.

Sillä hetkellä siihen menetetään yhteys eikä enää tiedetä, mitä sille tapahtuu. Syy on se, että valohiukkaset eivät pääse pois tapahtumahorisontin takaa, ja siksi kaikki tieto avaruusaluksen kohtalosta jää ulottumattomiin.

Valo ei ole ainoa asia, joka käyttäytyy kummallisesti. Niin tekee aikakin.

Jos raketissa olisi kello, sen käynti hidastuisi sitä mukaa kuin raketti lähestyy mustaa aukkoa. Tämä pätee riippumatta siitä, onko kyseessä mekaaninen tai digitaalinen kello tai atomikello.

Fyysikot nimittävät ilmiötä aikadilaatioksi, ja se syntyy siksi, että mustan aukon massa ei vääristä ainoastaan avaruutta vaan myös aikaavaruutta, ja se taas tarkoittaa, että itse aika sananmukaisesti venyy. Mustan aukon sisällä aika pysähtyy täysin, ja siksi mustaa aukkoa voidaan pitää eräänlaisena aika-avaruuden reikänä.

Kun raketti jatkaa matkaa tapahtumahorisontin taakse ja singulariteetti nielaisee sen, raketin massa yhdistyy mustan aukon massaan, josta tulee hivenen raskaampi.

Suuremman massan vuoksi myös tapahtumahorisontti suurenee vähän, ja juuri tällä tavalla musta aukko kasvaa. Mitä enemmän ainetta se nielee, sitä raskaampi siitä tulee ja sitä isompi tulee siitä avaruuden alueesta, jolta ei välity mitään tietoa.

Kuvitteellinen esimerkki raketin kohtalosta ja mustan aukon kasvamisesta perustuu suoraan Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan. Asiat etenisivät kuitenkin hieman toisin todellisessa maailmassa, sillä niihin vaikuttaisivat myös muut lähellä tapahtumahorisonttia vallitsevat olosuhteet.

Tärkein asia on mustan aukon pyöriminen. Pyörimisliike vaikuttaa nimittäin ratkaisevasti siihen, mitä juuri tapahtumahorisontin ulkopuolella tapahtuu.

Vuonna 1963 uusiseelantilainen matemaatikko Roy Kerr onnistui löytämään täsmällisen ratkaisun Einsteinin pyörivää mustaa aukkoa koskeviin kenttäyhtälöihin, ja siksi pyörivän aukon anatomia tunnetaan hyvin.

Astrofyysikot arvelevat nykyään, että kaikilla mustilla aukoilla on spin eli eräänlainen sisäinen pyörimismäärä ja että se liittyy niiden syntytapaan. Mustia aukkoja voi syntyä vain siten, että suuri määrä ainetta luhistuu oman painovoimansa vaikutuksesta. Näin tapahtuu esimerkiksi silloin, kun suuri tähti on käyttänyt kaiken polttoaineensa.

Niin kauan kuin tähden fuusioprosessit toimivat, se luo sisuksissaan ulospäin suuntautuvan säteilyvoiman, joka vastustaa painovoimaa. Heti tähden sammuttua painovoima saa vapaan otteen ja puristaa tähden aineen kasaan.

Mitä suurempi tähden massa on, sitä voimak- kaampi on painovoima ja sitä tiheämpää aineesta tulee. Kun Aurinko on palanut loppuun noin viiden miljardin vuoden kuluttua, painovoima hajottaa atomit niin, että elektronit irtoavat atomiytimistä.

Siten aineesta tulee niin tiivistä, että Aurinko päättää päivänsä valkoisena kääpiönä. Se ei nimittäin ole tarpeeksi raskas päätyäkseen mustaksi aukoksi.

Tähdestä, joka painaa usean Auringon verran, tulee loppuun palaessaan tiheämpi. Silloin painovoima on niin vahva, että elektronit ja atomiytimet sulautuvat yhteen ja niistä muodostuu neutroneja. Tuloksena on neutronitähti.

Vielä suuremmat tähdet, joi- den massa on Aurinkoon verrattuna yli viisinkertainen, voivat luhistua vielä tiheämmiksi kappaleiksi. Silloin itse neutronitkaan eivät pysty vastustamaan painetta ja syntyy musta aukko eli juuri se, johon Eddington suureksi yllätyksekseen päätyi laskelmissaan vuonna 1935.

Aika-avaruus pyörii kuin taitoluistelija

Luhistuvalla tähdellä on aina oma pyörimisliikkeensä. Se on peräisin siltä ajalta, jolloin tähti muodostui pyörivästä kaasupilvestä. Vaikka aine puristuu kasaan, pyörimisliike säilyy ja jopa nopeutuu.

Se johtuu samoista fysiikan laeista, jotka pätevät piruettia suorittavaan taitoluistelijaan. Kun luistelija pitää kädet levitettyinä sivuille, pyöriminen on hidasta, mutta hänen laskiessaan kädet vartalon sivuille pyörimisliike nopeutuu. Myös mustissa aukoissa pyöriminen kiihtyy.

Lähellä tapahtumahorisonttia pyöriminen on niin voimakasta, että kaikki hiukkaset, jopa valohiukkasetkin, joutuvat väkisin mukaan. Mikään ei pysy paikallaan, koska itse aika-avaruus pyörii mustan aukon ympäri.

Asiaa voidaan havainnollistaa niin, että aikaavaruuden ”kangas” painovoimakaivossa kiertyy singulariteetin ympäri. Tätä aluetta kutsutaan ergosfääriksi, ja sillä on ratkaiseva merkitys mustien aukkojen ympäristön tapahtumille

Jos lähetetään jotain kohti pyörivää mustaa aukkoa, vaikkapa astronautti, nähdään paljon luistelijan piruettia kohtalokkaampi ilmiö.

Painovoimavaikutus kasvaa metri metriltä astronautin lähestyessä aukkoa. Jos hän liikkuu jalat edellä, painovoima vaikuttaa niihin paljon voimakkaammin kuin päähän. Ensin jalkaterät ja sitten reidet ja lopulta koko muu keho venyy spagetin kaltaiseksi.

Samalla pyöriminen ergosfäärissä nopeutuu, kun astronautti lähestyy tapahtumahorisonttia. Keho venyy kierteeksi ja kietoutuu mustan aukon ympäri kuin spagetti haarukkaan. Lopuksi musta aukko imaisee spagetin sisäänsä, mutta siinä vaiheessa astronautti on jo aikaa sitten lakannut tuntemasta mitään.

Astronauttiesimerkki on onneksi vain kuvitteellinen. Todellisuudessa mustien aukkojen ympärillä näin tapahtuu vain pölylle, atomeille ja alkeishiukkasille. Se ei ole niin irvokasta, mutta vähintään yhtä näyttävää.

Kaikki mustaa aukkoa lähestyvä aine joutuu väkisin pyörimisliikkeeseen niin, että aukon ympärille muodostuu kiekkomainen rakenne, jota tähtitieteilijät kutsuvat kertymäkiekoksi.

Mitä lähemmäs mustaa aukkoa aine tulee, sitä nopeammin se alkaa pyöriä kertymäkiekossa.

Pyöriminen muuttaa aineen energiaksi

Kertymäkiekossa on valtavia määriä liike-energiaa, ja se on saanut astrofyysikot pohtimaan, olisiko mahdollista ottaa siitä energiaa talteen ja siten käyttää mustaa aukkoa eräänlaisena moottorina.

Fyysikko Roger Penrose esitti ajatuksen ensimmäisenä vuonna 1971. Hän muotoili asian näin: Jos pyörivää mustaa aukkoa kohti heitettäisiin ainetta sellaisella tavalla, että osa siitä sinkoutuisi takaisin, sillä olisi enemmän energiaa kuin sillä oli alun perin.

Energia olisi lähtöisin ergosfääristä heti ta- pahtumahorisontin ulkopuolelta, ja prosessi heikentäisi mustan aukon pyörimistä. Periaatteessa näin voitaisiin saada mustista aukoista valtavia määriä energiaa.

Penrosen idea on vain ajatuskoe eikä mikään käytännön ratkaisu nykyhetken energiakriisiin, mutta hänen ajatuksensa ovat innoittaneet muita astrofyysikkoja tarkastelemaan lähemmin kertymäkiekossa mustan aukon lähellä ympäriinsä pyörivän aineen dynamiikkaa.

Lähinnä aukkoa olevalla aineella on enemmän nopeutta kuin aineella, joka kiertää hieman laajemmilla radoilla. Nopeuseron vuoksi syntyy kitkavastus, joka hidastaa vähän sisimmän aineen vauhtia ja lisää ulompana kiertävän aineen vauhtia. Samalla prosessissa syntyy lämpöenergiaa, joka vapautuu säteilynä.

Jos mustan aukon spin on hyvin nopea, sisimpänä ergosfäärissä oleva aine voi kuumentua niin paljon, että se lähettää röntgensäteilyä, joka vastaa kymmenen miljoonan asteen lämpötilaa. Maailmankaikkeudesta ei tunneta mitään muuta prosessia, joka muuttaisi massaa energiaksi yhtä tehokkaasti.

Massan muuttuminen energiaksi tapahtuu Einsteinin tunnetun yhtälön E = mc2 mukaan, missä E tarkoittaa energiaa, m massaa ja c valon nopeutta. Laskelmat osoittavat, että jopa 42 prosenttia lähellä mustaa aukkoa kiertävästä aineesta voi tällä tavoin muuttua energiaksi.

Prosessi toimii käyttövoimana myös yhdelle universumin näyttävimmistä ilmiöistä: kvasaareille. Kvasaarit ovat voimakkaimpia tunnettuja uusiutuvia energia- latauksia. Ne lähettävät voimakasta säteilyä koko sähkömagneettisen spektrin alueella aina pitkäaaltoisesta radiosäteilystä näkyvään valoon ja lyhytaaltoiseen röntgensäteilyyn.

Kvasaareja synnyttävät suuret mustat aukot, jotka muuttavat valtavia määriä ainetta energiaksi kaukaisten galaksien keskuksissa.

Viime vuosikymmeninä tähtitieteilijöiden mahdollisuudet tutkia kvasaareja ympäröiviä rakenteita ovat huomattavasti parantuneet, koska käytössä on suuria Maassa toimivia radioteleskooppeja sekä satelliitteja, kuten Chandra, jotka toimivat röntgenalueella.

Aivan läheltä kvasaarin mustaa aukkoa sinkoutuu kaksi voimakasta suihkuvirtausta, jotka koostuvat suurienergiaisesta plasmasta, toisin sanoen atomia pienemmistä sähköisesti varautuneista hiukkasista. Suihkuvirtausten nopeus voi lähestyä valon nopeutta, ja ne voivat ulottua tuhansien valovuosien päähän avaruuteen.

Ne purkautuvat kertymäkiekon sisimmästä reunasta vastakkaisiin suuntiin suorassa kulmassa kiekkoon nähden. Kvasaareja vastaavan rakenteen tähtitieteilijät voivat nähdä myös niin sanotuissa mikrokvasaareissa, joita on paljon lähempänä meitä, eri puolilla Linnunrataa. Mikrokvasaaritkin saavat energiansa mustista aukoista, mutta ne ovat paljon pienempiä.

Mikrokvasaarin mustan aukon massa vastaa muutamaa Auringon massaa, ja se on yleensä syntynyt luhistuvasta tähdestä. ”Oikean” kvasaarin mustan aukon massa voi sen sijaan olla satoja miljoonia kertoja suurempi.

Musta aukko ahmii – ja sotkee samalla

Kvasaarien ja mikrokvasaarien tutkiminen muuttaa perinteistä kuvaa mustasta aukosta ahmattina, joka nielee sisäänsä kaiken ympärillä olevan Nykyään astrofyysikot arvelevat, että vain murto-osa mustaa aukkoa kohti ajautuvasta aineesta joutuu lopulta aukon nielemäksi.

Joidenkin mielestä määrä on kymmenisen prosenttia, toisten mielestä vähän enemmän, ja ilmeisesti se myös vaihtelee aukon mukaan.

Siitä ollaan kuitenkin yksi- mielisiä, että hyvin suuri osa aineesta ei ehdi tapahtumahorisontin taakse, vaan se ponnahtaa takaisin kertymäkiekosta tai sinkoutuu ulos plasmana voimakkaissa suihkuvirtauksissa. ”Ruokaa” menee siis myös hukkaan.

Musta aukko voi hyvinkin olla suuri päätymättä silti kvasaariksi. Esimerkkinä tästä on Linnunradan aukko. Tutkimalla lähellä Linnunradan keskusta kiertävien tähtien rataa voidaan laskea, miten suuri massa mustaan aukkoon on kasautunut.

Yhtälöä varten tarvitaan tieto tähtien spektriluokasta eli pinnan lämpötilasta, josta taas selviää niiden massa. Jos lisäksi tunnetaan kiertoratojen pituus ja tähtien kiertoaika, tulos on helppo laskea. Toisistaan riippumattomat tutkijaryhmät ovat tehneet laskelmia useita kertoja, joten nykyään ollaan melko varmoja siitä, että Linnunradan mustan aukon massa vastaa vähän yli neljää miljoonaa Aurinkoa.

Linnunradan keskuksen musta aukko ja kaukaisten galaksien keskuksessa kvasaareina näkyvät mustat aukot eivät ole syntyneet luhistuvista tähdistä. Astrofyysikoiden mukaan nämä niin sanotut supermassiiviset mustat aukot ovat muodostuneet samaan aikaan kuin niiden ympärillä olevat galaksit.

Siksi mustat aukot eivät ole ainoastaan nykyisen kosmisen aikakauden näyttäviä ilmiöitä, vaan ne ovat panneet liikkeelle tuntemamme maailmankaikkeuden kehityksen.

Informaatio katoaa aukon syövereihin

Galaksien keskusten mustat aukot ovat aktiivisuudeltaan hyvin erilaisia. Linnunradan keskuksen musta aukko on varsin rauhallinen, ja se vetää puoleensa ilmeisesti ”vain” 300 maapallon verran ainetta vuodessa.

Mustan aukon nielaiseman aineen kohtalosta ei tiedetä mitään varmaa, koska aukosta ei pääse pakenemaan edes valo, ja valohan yleensä on kaiken informaation välittäjä. Siksi ei myöskään tiedetä mitään aineesta, josta musta aukko alun perin on muodostunut.

Ainoat kunkin aukon tunnetut ominaisuudet ovat sen massa ja spin.

Yhdysvaltalainen fyysikko John Wheeler on todennut: ”Mustilla aukoilla ei ole karvoja.” Ihmisistähän yleensä jo hiukset paljastavat monta seikkaa:

Esimerkiksi väri ja rakenne kertovat etnisestä taustasta ja kampaustyyli kertoo sukupuolesta ja kulttuurista. Mustat aukot kuitenkin pitävät kaiken tiedon alkuperästään, koostumuksestaan ja historiastaan meiltä kätkössä.

Juuri informaation katoaminen on askarruttanut fyysikoita vuosikymmeniä.Yleisen käsityksen mukaan siinä silmänräpäyksessä, kun aine imeytyy mustaan aukkoon, kaikki tieto siitä katoaa ikuisiksi ajoiksi ulottumattomiin. Ei ehkä kuitenkaan. Maailmankuulun brittiläisen fyysikon Stephen Hawkingin esittämä teoria on saattanut avata oven hieman raolleen.

Teorian tausta juontuu niin sanotusta Heisenbergin epätarkkuusperiaatteesta. Sen mukaan jopa täydellisessä tyhjiössä voi syntyä hiukkasia. Yleistajuisesti sanottuna energiaa voi ”lainautua” riittävästi virtuaalisen hiukkasparin – hiukkasen ja antihiukkasen – muodostumiseen.

Saman tien ne kuitenkin tuhoavat toinen toi- sensa ja energialaina palautuu. Tällaista aktiivisuutta tapahtuu koko ajan, ja se pystytään jopa mittaamaan.

Entä mitä tapahtuu, jos virtuaalinen hiukkaspari syntyy mustan aukon tapahtumahorisontin reunalla? Ja jos aukko nielaisee toisen hiukkasen ja toinen pakenee ennen kuin ne tuhoavat toisensa? Silloin ollaankin tilanteessa, jossa energialaina ei voi palautua.

Mustan aukon ulkopuolinen alue on rikastunut yhdellä hiukkasella ja siten siihen on tullut lisää energiaa. Jotta yhtälö täsmäisi, pitää aukon nielaiseman hiukkasen viedä aukkoon vastaava määrä negatiivista energiaa. Ja koska massa ja energia liittyvät toisiinsa yhtälön E = mc2 mukaan, nettotulos on se, että mustaan aukkoon on imeytynyt negatiivista energiaa ja se on siten pienentynyt.

Kun mustaa aukkoa tarkastellaan pitkältä etäisyydeltä, selviää, että siitä tällä tavoin poistuu hiukkasia eikä se siis olekaan täysin musta. Hiukkasista muodostuu niin sanottua Hawkingin säteilyä.

Hawking esitti teoriansa vuonna 1974. Siitä asti muut fyysikot ovat pohtineet, voisiko Hawkingin säteily tuoda informaatiota mustan aukon sisuksista ja voitaisiinko periaatteessa luoda uudelleen yksityiskohdat kaikesta siitä aineesta, jonka aukko aikojen kuluessa on niellyt.

Spekulaatiot johtivat kuuluisaan vedonlyöntiin. Yhdysvaltalainen teoreettinen fyysikko John Preskill oli sitä mieltä, että Hawkingin säteily voi hyvin sisältää informaatiota, kun taas Hawking itse piti sitä mahdot- tomana. Vuonna 2004 Hawking arveli Preskillin olevan sittenkin oikeassa, joten hän päätti myöntää tappionsa ja antaa Preskillille palkinnon: baseball-tietosanakirjan.

Keskustelu asiasta ei kuitenkaan tyrehtynyt siihen vaan se jatkuu nykyäänkin. Vielä ei ole pystytty mittaamaan mustasta aukosta tulevaa Hawkingin säteilyä, joten jo pelkästään siitä syystä on mahdotonta tietää, sisältääkö se informaatiota.

Jos Hawkingin säteily on olemassa, se avaa aivan muunlaisiakin mahdollisuuksia.

Mustat aukot voisivat nimittäin höyrystyä ja aikanaan hävitä kokonaan. Aukko, johon ei enää tule uutta ainetta, voi Hawkingin säteilyn kautta vähitellen menettää massaansa ja pienen- tyä ja keventyä niin, että sen elämä lopulta päättyy pieneen pihaukseen. Hawkingin teorian mukaan prosessi etenee nopeammin pienissä kuin isoissa aukoissa.

Hawkingin ajatukset ovat hyvä esimerkki siitä, minkälaisten haasteiden parissa teoreettinen fysiikka painii. Teoreettiset ja matemaattiset mahdollisuudet ulottuvat usein paljon kauemmas kuin se, mitä voidaan todistaa kokeilla ja havainnoilla.

On myös mahdollista, että jokin aluksi hyvin kiehtovalta vaikuttava fysiikan teoria osoittautuu myöhemmin täysin vääräksi, koska se on perustunut vääriin edellytyksiin. Vastaavasti taas teoria, joka vaikuttaa omituiselta ja sotii kaikkea tervettä järkeä vastaan, osuukin lopulta naulan kantaan.

Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria on sadan vuoden kuluessa kerta toisensa jälkeen osoittanut vahvuutensa, etenkin ennustaessaan mustien aukkojen olemassaolon – vaikkei Einstein edes itse uskonut niihin.

Suhteellisuusteoriaa koetellaan ankarasti

Einsteinin teorian yhtälöt ovat hyvin väljiä, ja ne voivat avata mahdollisuuksia, joita on vaikea hyväksyä.

Yhdessä opiskelijansa Nathan Rosenin kanssa Einstein päätyi jo 1930-luvulla esimerkiksi siihen, että aika-avaruus voi teoriassa kaareutua niin paljon, että kaksi hyvin kauka- na toisistaan sijaitsevaa aluetta yhdistyy pienen sillan – madonreiän – kautta.

Ajatus madonrei'istä on synnyttänyt toinen toistaan lennokkaampia tarinoita ja innoittanut etenkin tieteiskirjailijoita, joiden luomat hahmot kulkevat silmänräpäyksessä ristiin rastiin avaruudessa.

Jos madonreikiä todella on olemassa ja ne pysyvät koossa pitkään, niillä on vieläkin kummallisempia ominaisuuksia. Niiden kautta ei ainoastaan voi kulkea oikotietä avaruuden halki vaan myös ajassa taaksepäin lukituissa aikasilmukoissa, missä tulevaisuus on samalla myös menneisyys.

Matemaatikko Kurt Gödelin vuonna 1949 kuvaama universumi sisälsi juuri tämän kaltaisia silmukoita, jotka kulkivat samojen tapahtumien läpi yhä uudelleen loppumattomassa kiertokulussa. Aiksilmukassa olisi mahdollista myös surmata omat isovanhempansa ennen kuin nämä saavat lapsia, joista tulee surmaajan vanhemmat. Madonreiät ja silmukat sisältävätkin kaikki aikamatkailuun liittyvät paradoksit.

Suhteellisuusteoria ei kiellä madonreikien olemassaoloa, mutta se ei vielä tarkoita sitä, että niitä olisi universumissamme. Ehkä jotkin vielä tuntemattomat luonnonlait eivät yksinkertaisesti salli niiden syntyä.

Stephen Hawking on kutsunut tätä ”oletukseksi kronologian suojasta”. Tyypilliseen tapaansa Hawking on myös leikillisesti todennut, että juuri tämä oletus tekee universumista turvallisen olinpaikan historioitsijoille.

Hawking ei kuitenkaan yleensä suhtautunut torjuvasti universumissa piileviin eksoottisiin mahdollisuuksiin, ei varsinkaan mustien aukkojen osalta.

Eräällä luennollaan 2015 hän ilmaisi asian näin:

”Mustat aukot eivät ole niin mustia kuin ne usein esitetään Ne eivät ole ikuisia vankiloita, joiksi ne aiemmin kuviteltiin. Mustasta aukosta voi tulla jotakin ulos – sekä sen reunalle että mahdollisesti toiseen universumiin. Jos tunnet olevasi mustassa aukossa, älä luovuta. Sieltä johtaa tie ulos.”

Tie löytyy toivottavasti myös astrofyysikoille heidän yrittäessään ymmärtää mustien aukkojen ominaisinta luonnetta.

Juuri nyt on myönnettävä, että mustat aukot eivät ainoastaan rei'itä universumia vaan myös tietomme niistä. Tutkijat koettelevat Einsteinin suhteellisuusteoriaa sen äärirajoille yrittäessään kuvailla, mitä singulariteetissa tapahtumahorisontin takana tapahtuu.

Mustat aukot edustavat samanaikaisesti kaikkein suurinta ja kaikkein pienintä, mitä voidaan kuvitella: käsittämättömän suuri painovoima kasautuneena häviävän pienelle alueelle avaruudessa.

Juuri tässä, singulariteetissa, yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka kohtaavat toisensa.

Näitä kahta suurta fysiikan teoriaa ei ole vielä onnistuttu yhdistämään. Yhdistäjäksi on uumoiltu uutta kaiken kattavaa teoriaa, kvanttigravitaatiota, joka on korkealla astrofyysikkojen toivelistalla mutta jota ei vielä ole pystytty kehittämään.

Artikkeli on ensimmäisen kerran julkaistu 2018.