Maailmankaikkeuden mysteerien äärellä – matkalla mustaan aukkoon

Mustista aukoista etsitään ratkaisua moniin maailmankaikkeuden perimmäisiin arvoituksiin. Niiden toivotaan paljastavan fysiikan todellisen Graalin maljan, kaiken teoriaksi kutsutun selityksen luonnon perusvuorovaikutuksille.

Etenkin viimeisen viiden vuoden aikana mustien aukkojen tutkimus on edistynyt huimasti. Tänään osataan kuunnella mustia aukkoja avaruutta taivuttavien gravitaatioaaltojen avulla, seurata tähtien liikettä supermassiivisten mustien aukkojen ympärillä ja valokuvata mustan aukon varjo sen tulisena hehkuvaa kertymäkiekkoa vasten.

”Silti olemme ihmiskuntana vasta hädin tuskin kastaneet varpaamme avomereen sen suhteen, mitä tiedämme mustista aukoista. Edessä aukeaa laaja horisontti, jossa on valtavasti tutkittavaa”, kertoo teoreettinen fyysikko ja Aalto-yliopiston tutkimusrahoituksen asiantuntija Tommi Tenkanen.

Tenkasen tuore kirja Matka mustaan aukkoon - Alkuräjähdyksestä kaiken teoriaan (URSA) vie lukijan mukaansatempaavalle matkalle avaruuden ja maailmankaikkeuden perimmäisten mysteerien äärelle.

Suhteellisuusteoria ei ole valmis

Mustia aukkoja syntyy massiivisten tähtien romahtaessa. Pienille tähdille näin ei käy ja esimerkiksi Aurinko on liian pieni päätymään koskaan mustaksi aukoksi.

”On olemassa myös supermassiivisia mustia aukkoja, jotka voivat painaa miljoonia tai miljardeja kertoja enemmän kuin Aurinko. Maapalloa lähin supermassiivinen musta aukko sijaitsee kotigalaksimme Linnunradan keskustassa, jonne on matkaa 27 000 valovuotta.”

Linnunradassa arvellaan olevan ainakin kymmeniä miljoonia mustia aukkoja. Koko universumissa on ainakin sata miljardia muuta galaksia, joista jokaisessa on todennäköisesti valtava määrä mustia aukkoja.

Mustien aukkojen olemassaolo pohjautuu Albert Einsteinin vuonna 1915 julkaisemaan yleiseen suhteellisuusteoriaan. Einstein itse ei kuitenkaan koskaan uskonut mustiin aukkoihin.

”Yleinen suhteellisuusteoria ei ole lopullinen teoria. Aika-avaruuden perimmäisen rakenteen selvittäminen vaatii yleisen suhteellisuusteorian ja hiukkasfysiikan yhdistämistä.”

Tiedon rajana tapahtumahorisontti

Mustat aukot edustavat maailmankaikkeuden täydellisintä pimeyttä ja nielevät sisäänsä kaiken, joka ylittää aukkoja ympäröivän tapahtumahorisontiksi kutsutun rajapinnan.

Tapahtumahorisontti on kuin kaupungin rajalle asetettu kyltti, joka kertoo, mistä kaupunki alkaa. Kasinokaupunki Las Vegasista sanotaan: se mikä tapahtuu Las Vegasissa, jää Las Vegasiin. Samoin voidaan sanoa: se mikä tapahtuu mustassa aukossa, jää mustaan aukkoon. Mustan aukon sisällä painovoima on niin voimakas, että edes universumin nopein asia, valo, ei pääse sieltä pakenemaan.

”Tapahtumahorisontti on paikka, johon mustan aukon ulkopuolelta havaittavissa olevat tapahtumat päättyvät. Se on raja, johon nykyinen tietämys mustista aukoista päättyy.”

Vaikka mustien aukkojen tutkimuksessa ollaan perimmäisten kysymysten äärellä, tuottaa taustalla oleva yleinen suhteellisuusteoria myös käytännön sovelluksia. Yksi näistä on kännyköistäkin tuttu GPS-paikannus, joka perustuu kymmenien maata kiertävien satelliittien aikakelloihin. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika ei ole absoluuttista, vaan kulkee eri tahtiin maan pinnalla ja satelliittien korkeuksissa.

”Satelliitit ottavat huomioon aika-avaruuden kaarevuuden avaruudessa, mikä johtaa aikasignaalin viivästymiseen. Jos suhteellisuusteorian mukaisten lainalaisuuksien vaikutuksia ajan kulkuun ei huomioitaisi, tulisi kännykän paikannukseen valtava virhe.”

Aallon ainutlaatuinen radioaaltojen aikasarja

Kaksi mustaa aukkoa voi kohdata ja sulautua yhdeksi mustaksi aukoksi. Syntyy valtava jyrähdys, joka välittyy avaruudessa gravitaatioaaltoina. Niiden havaitseminen maapallolla on todiste mustien aukkojen olemassaolosta.

”Maapallolle saapuessaan aallot ovat heikentyneet atomiydintä pienemmiksi värähtelyiksi, joita vain äärimmäisen herkät mittalaitteet voivat rekisteröidä.”

Aalto-yliopisto on avaruuden salaisuuksien tutkimuksessa vahvasti mukana. Kirkkonummella sijaitseva Aallon Metsähovin radiotutkimusasema on Suomen ainoa tähtitieteellinen radio-observatorio. Metsähovin halkaisijaltaan 14-metrisen radioteleskoopin tuottamaa havaintodataa käytetään muun muassa aktiivisten galaksien, Auringon ja maapallon pyörimisen tutkimiseen.

”Metsähovissa on jo 1980-luvulta tehty radioaaltoalueen havaintoja miljardien valovuosien päässä sijaitsevista kvasaareista. Näin pitkä yhtäjaksoisen havaintosarja on kansainvälisessä tutkimuksessa ainutlaatuista.”

Radioteleskooppeja myös Kuuhun?

Metsähovin vanhempi tutkija Tuomas Savolainen on mukana kansainvälisessä EHT-kollaboraatiossa (Event Horizon Telescope), joka onnistui ottamaan historian ensimmäisen kuvan mustan aukon varjosta. Kuvaa varten kahdeksan radioteleskooppia kuvasi galaksin M87 ja Linnunradan keskustan mustaa aukkoa viiden päivän ajan vuonna 2017. Datan yhdistäminen ja analysointi oli iso operaatio. Tutkijatiimit kokoontuivat Harvardiin vuonna 2018 vertailemaan dataa ja tuottamiaan kuvia.

”Oli huikea hetki, kun neljän eri ryhmän kuvat paljastettiin. Siinä kohtaa tiesin, että tässä on ensimmäistä kertaa mustan aukon varjo”, kuvailee Savolainen tunnelmiaan Tenkasen kirjassa.

Arvioilta ainakin kaksi miljardia ihmistä on nähnyt kuvan. Sekä tutkijat että kansalaiset janoavat lisää kuvia.

”Toiveissa on, että jo hyvin pian saamme nähdä Linnunradan supermassiivisen mustan aukon varjokuvan. Pian myös avaruusteleskoopit, kuten NASAn uusi James Webb -teleskooppi, tulevat mahdollistamaan yhä tarkempien kuvien saamisen. Toivottavasti ennen vuosisadan loppua myös Kuussa on radioteleskooppeja”, toteaa Tenkanen.

Teksti: Marjukka Puolakka