Musta aukko

Ylipainoiset mustat aukot mullistavat painoasteikon

Tutkijaryhmän mukaan universumissa voi olla tuntemattomia mustia aukkoja, joiden massa on ainakin 100 miljardia kertaa niin suuri kuin Auringon. Jos näitä jättejä on olemassa, ne ehkä ratkaisevat oudon pimeän aineen arvoituksen.

Tutkijaryhmän mukaan universumissa voi olla tuntemattomia mustia aukkoja, joiden massa on ainakin 100 miljardia kertaa niin suuri kuin Auringon. Jos näitä jättejä on olemassa, ne ehkä ratkaisevat oudon pimeän aineen arvoituksen.

Shutterstock

Kaukana Maasta, Ajokoirien tähdistössä, elää kosminen hirviö, joka ahmii kaiken lähelle tulevan.

Hirviö on ultramassiivinen musta aukko, jonka massa on noin 66 miljardia kertaa Auringon massa ja joka on yhtä suuri kuin koko Aurinkokuntamme.

Kvasaari TON 618:n keskellä sijaitseva musta aukko on toistaiseksi suurin tähtitieteilijöiden ennätyskirjassa – mutta uuden tutkimuksen mukaan se on vain lilliputti verrattuna aukkoihin, joista käytetään nimitystä SLAB, stupendously large black holes. Niitä ei ole vielä havaittu.

”Määrittelemme SLABit mustiksi aukoiksi, joiden massa on yli 100 miljardia kertaa Auringon massa. Niitä ei vielä ole löydetty galaksien keskustoista – ehkä siksi, että ne ovat nielaisseet niitä ympäröineen galaksin – mutta niitä saattaa olla galaksienvälisessä avaruudessa”, toteaa Bernard Carr, Lontoon Queen Mary -yliopiston matematiikan ja tähtitieteen emeritusprofessori, Tieteen Kuvalehdelle.

Jos SLAB-tyyppisiä mustia aukkoja on olemassa, ne ehkä tuovat meille uutta tietoa varhaisesta universumista.

Bernard Carrin ja hänen kollegoidensa Florian Kühnelin ja Luca Visinellin laatimien matemaattisten laskelmien mukaan universumiin saattaa kätkeytyä mustia aukkoja, joiden massa on tuhansien miljardien Aurinkojen painoinen eli suunnilleen yhtä suuri kuin kaikkien Linnunradan tähtien.

Jos SLAB-tyyppisiä mustia aukkoja on olemassa, ne ehkä tuovat meille uutta tietoa varhaisesta universumista ja oudosta pimeästä aineesta, jota on kaikkialla universumissa mutta jonka selitystä ei vielä tunneta.

Kaiken kokoisia aukkoja

Arvoitukselliset mustat aukot ovat kauan kiehtoneet tähtitieteilijöitä.

Vuonna 1783 brittiläinen geologi John Michell esitti teorian kappaleista, joilla on niin valtava painovoima, ettei valokaan pääse niistä karkuun.

Michell kutsui kappaleita pimeiksi tähdiksi. Hän oivalsi myös joidenkin tähtien painovoimavaikutuksen olevan niin voimakas, että tähden pakonopeus – nopeus, jonka avaruusalus tai valohiukkanen tarvitsee alkuvauhdikseen päästäkseen pois kappaleen painovoimakentästä – on suurempi kuin valonnopeus.

Mustan aukon ja tähden fuusio
© ESO/L. Calçada/M.Kornmesser

Syömingit ja fuusiot kasvattavat mustia aukkoja

Mustat aukot voivat kasvaa paitsi vetämällä puoleensa kaasuja myös niin, että kaksoistähtijärjestelmän toinen tähti muuttuu mustaksi aukoksi ja alkaa sen jälkeen ahmia kumppaniaan. Kaksi mustaa aukkoa voi myös vetää toisiaan puoleensa ja lopulta törmätä yhteen rajussa kolarissa, jossa ne fuusioituvat yhdeksi jättiläismäiseksi mustaksi aukoksi.

132 vuotta myöhemmin, vuonna 1915, Albert Einstein loi yleisessä suhteellisuusteoriassaan vankan teoreettisen perustan mustille aukoille. Siitä reilun sadan vuoden kuluttua, vuonna 2019, Event Horizon Telescopen (EHT) kansainvälinen tutkijajoukko saattoi esittää kuvan tulikuumista kaasuista, jotka loistavana renkaana väreilevät galaksi Messier 87:n pyörivän mustan aukon ympärillä.

Mustia aukkoja on monen kokoisia, kolmen Auringon massan painoisista tai ehkä vieläkin pienemmistä käsittämättömän suuriin, jotka ovat raskaampia kuin mikään muu koskaan mitattu kosminen ilmiö.

Supermassiivisia mustia aukkoja on monien galaksien keskuksissa. Esimerkiksi Linnunradassa on Sagittarius A*, jolla on massaa noin neljän miljoonan Auringon verran. Galaksi Messier 87:n keskuksen supermassiivinen musta aukko on vielä suurempi: sen massa vastaa noin 6,5 miljardia kertaa Auringon massaa.

SLABit ovat silti aivan omaa luokkaansa. Yksi aukko voi painaa 100 miljardista triljoonaan – miljardiin miljardiin – kertaa niin paljon kuin Aurinko.

”Erityisen hämmästyttävää mustissa aukoissa on se, että niiden kokoerot ovat käsittämättömän suuria – niitä on Planckin massan (noin sadastuhannesosa grammasta, toim.) kokoisista ja 10–100 Auringon massaisista romahtaneista tähdistä aina supermassiivisiin aukkoihin, joiden massa on miljoonasta miljardiin Auringon massaa, ja ehkä vielä SLABeihin asti”, Bernard Carr selvittää.

Aukot voivat olla peräisin aikojen alusta

Yhteistä mustille aukoille on se, että ne kerran muodostuttuaan voivat ajan mittaan kasvaa suuremmiksi.

Erityisen hämmästyttävää mustissa aukoissa on se, että niiden kokoerot ovat käsittämättömän suuria. Bernard Carr, Lontoon Queen Mary -yliopiston matematiikan ja tähtitieteen emeritusprofessori

Ne imevät ympäriltään kaasuja ja pölyä kuin runsaasta noutopöydästä, ja siksi niiden paino kasvaa. Näin mustan aukon aineesta tulee äärimmäisen tiheää.

Kuten Bernard Carr kertoo, SLABit ovat niin suuria, ettei niitä todennäköisesti löydy galaksien keskuksista, koska ne ajan mittaan ovat nielleet kaiken galaksin aineen. Valtavasta massasta voidaan päätellä niiden olevan hyvin vanhoja, koska ne ovat ehtineet kehittyä niin suuriksi.

Siksi tutkijat uskovat, että SLABit ovat voineet muodostua hyvin nuoressa kaikkeudessa jo ennen kuin galaksit alkoivat muotoutua alkuräjähdyksen jälkeen. Tuona varhaisena ajankohtana kaikkeutta hallitsi säteily.

Bernard Carr

Professori Bernard Carr Lontoon Queen Mary -yliopistosta arvelee, että äärimmäisen suuria mustia aukkoja on voinut muodostua varhaisen universumin tiheästä aineesta.

© Bernard Carr

”Niiden alkuperä voi olla primordiaalinen eli ne ovat syntyneet varhaisessa universumissa, jota hallitsi säteily. Ne ovat saattaneet kehittyä primordiaalisista mustista aukoista, koska niiden on täytynyt kasvaa valtavasti muodostumisensa jälkeen”, sanoo Bernard Carr.

Ehkä gammasäteilyn lähde

Primordiaaliset eli alkuperäiset mustat aukot ovat peräisin kaikkeuden lapsuudesta, jolloin mustat aukot eivät voineet muodostua tähtien romahtaessa.

Tuolloin ei ollut vielä galakseja eikä tähtiä, vaan sen sijaan aine oli hyvin tiivistä ja paikalliset väreilyt ovat voineet puristaa ainetta niin, että musta aukko on alkanut muodostua.

Esiin nousee myös kysymys, ovatko mustat aukot osa universumin pimeän aineen selitystä.

Pimeä aine on tutkijoiden nimitys noin 85 prosentille universumin aineesta, jota ei vielä ole havaittu, mutta joka voi selittää sellaisia painovoimaan liittyviä ilmiöitä, joiden ymmärtämiseen galaksien ja tähtien muodostaman näkyvän aineen vaikutus ei riitä.

Tällaisia ilmiöitä ovat esimerkiksi tähtien liikkeet galakseissa ja galaksien omat liikkeet, joita ei voida selittää ilman pimeää ainetta.

Musta aukko, valo
© Shutterstock

Taittunut valo ja gravitaatioaallot paljastavat SLABit

Aika-avaruuden vääristymät ja kosminen linssi, joka taittaa valoa tähtien ympärillä, voivat kertoa SLABien olemassaolosta kaikkeudessa.

Universumi, valo
© Hubble/ESA/NASA

Raskaat kappaleet taittavat valoa

Kaikkeuden raskaat kappaleet, kuten tähdet, planeetat ja galaksit, voivat luoda optisen vaikutelman: ne toimivat kuin linssi, joka taittaa muista, suoraan niiden takana sijaitsevista kappaleista tulevaa valoa.

Musta aukko, painoluokka
© Mark Garlick/Getty Images

Gravitaatioaallot kaareuttavat aika-avaruutta

Gravitaatioaallot ovat aika-avaruuden värähtelyä, joka lähtee liikkeelle, kun vaikkapa kaksi mustaa aukkoa kiertää toisiaan tai törmää toisiinsa. Gravitaatioaallon heilahduksesta voidaan arvioida mustien aukkojen massa.

Universumi
© M. Postman (STScI), the CLASH Team, Hubble Heritage Team (STScI/AURA)/ESA/NASA

Hiukkaset lähettävät säteilyä

Alkeishiukkaset, kuten WIMPit (weakly interacting massive particles), ovat ehkä pimeän aineen rakenneosasia. Jos WIMPejä on olemassa, ne lähettävät gammasäteilyä kohdatessaan antihiukkasen mustan aukon tapahtumahorisontin äärellä.

Juuri pimeä aine voi epäsuorasti auttaa löytämään ensimmäisen SLABin, jos näitä valtavia mustia aukkoja siis on olemassa.

SLAB saattaa paljastua gravitaatiolinssin välityksellä.

Gravitaatiolinssi tarkoittaa ilmiötä, jossa tähti, galaksi tai muu raskas universumin kohde toimii valoa taittavana optisena linssinä.

Taittuminen johtuu siitä, että painovoima kaareuttaa aika-avaruutta esimerkiksi tähden tai mustan aukon ympärillä. Takana olevasta tähdestä tai galaksista saapuva valo taittuu siten kaarevasti esteen kohdalla sen sijaan, että se kulkisi suoraan.

Periaatetta käytetään jo hyväksi teleskoopeissa, jotta nähdään galaksien ja tähtien ”kulman taakse”.

Myös SLAB voidaan periaatteessa löytää gravitaatioaaltojen välityksellä. Gravitaatioaallot ovat pieniä värähtelyjä aika-avaruudessa, jotka syntyvät esimerkiksi kahden mustan aukon ahmiessa toinen toistaan. Nykyään gravitaatioaaltoja havainnoidaan Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory- eli LIGO-laitteella Yhdysvalloissa.

Perinteisempi tapa jättimäisten mustien aukkojen paljastamiseen on etsiä niitä WIMPien (weakly interacting massive particles) avulla. Ne ovat alkeishiukkasia, joita ehkä muodostuu pimeän aineen yhteydessä.

”Ne muodostavat gravitaatiohalon jokaisen SLABin ympärille, ja niiden tuhoutuminen lähettää gammasädesignaalin”, sanoo Bernard Carr.

Avain kaiken teoriaan

Gammasädesignaali voitaisiin havaita teleskoopilla Maasta, ja näin paljastuisi sekä SLABin olemassaolo että alkeishiukkanen, jolla on tiivis yhteys tutkijoita askarruttavaan pimeään aineeseen.

Siten mustat aukot ovat edelleen pääroolissa, kun etsitään vastauksia fysiikan ja kosmologian suurimpiin arvoituksiin. Äärimmäisen olemuksensa vuoksi mustat aukot ovat myös sen noin sata vuotta jatkuneen taistelun näyttämönä, missä yritetään yhdistää kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria.

Nämä kaksi teoriaa kuvaavat, miten universumissa toimivat kaikkein pienimmät osaset – esimerkiksi fotonit ja elektronit – ja toisaalta suurimmat, kuten planeetat, tähdet ja galaksit.

Mustassa aukossa kumpikin teoria joutuu kovalle koetukselle, ja siksi tutkijat toivovat vastauksen löytyvän sieltä.

”On todennäköistä, että mustien aukkojen tutkimus sisältää avaimen yleisen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan yhdistämiseen, mikä on fysiikan pyhä Graalin malja”, sanoo Bernard Carr.