Mustajen reikien sotkuisissa kammioissa törmäävät kaksi maailmaa koskevaa perusteoriaa. Onko mustia aukkoja todella olemassa? Vaikuttaa siltä, että kyllä. Voivatko mustien aukkojen tarkemman tutkinnan yhteydessä ilmenevät perusongelmat ratkaista? Tuntematon. Ymmärtääksesi, mitä tutkijat tekevät, sinun on sukeltava hiukan näiden epätavallisten esineiden tutkimushistoriaan. Ja aloitamme siitä, että kaikista fysiikan voimista on yksi, jota emme ymmärrä ollenkaan: painovoima.
Painovoima on perustavanlaatuisen fysiikan ja tähtitieteen leikkauspiste, raja, jossa kaksi maailman perusteellisinta teoriaa törmäävät: kvanttiteoria ja Einsteinin tila-ajan ja painovoiman teoria, eli yleinen suhteellisuusteoria.
Mustat aukot ja painovoima
Nämä kaksi teoriaa näyttävät olevan ristiriidassa keskenään. Ja se ei ole edes ongelma. Niitä esiintyy eri maailmoissa, kvanttimekaniikka kuvaa hyvin pieniä ja yleinen suhteellisuusteoria kuvaa hyvin suurta.
Vasta kun saavutat erittäin pienet asteikot ja äärimmäisen painovoiman, molemmat teoriat törmäävät yhteen ja jotenkin toinen niistä osoittautuu vääräksi. Joka tapauksessa se seuraa teoriasta.
Mutta universumissa on yksi paikka, jossa voimme tosiasiallisesti todistaa tätä ongelmaa ja ehkä jopa ratkaista sen: mustan aukon reuna. Tässä kohtaamme äärimmäisen vakavuuden. Mutta on yksi ongelma: kukaan ei ole koskaan "nähnyt" mustaa reikää.
Mainosvideo:
Mikä on musta aukko?
Kuvittele, että kaikki fyysisen maailman draama avautuu avaruus-ajan teatterissa, mutta gravitaatio on ainoa voima, joka todella muuttaa teatteria, jossa sitä näytetään.
Painovoima hallitsee maailmankaikkeutta, mutta se ei ehkä edes ole voimaa perinteisessä merkityksessä. Einstein kuvasi sitä seurauksena avaruus-ajan muodonmuutoksista. Ja ehkä se vain ei sovi hiukkasfysiikan standardimalliin.
Kun erittäin suuri tähti räjähtää elämänsä lopussa, sen sisin osa romahtaa oman painovoimansa alla, koska polttoainetta ei enää ole tarpeeksi paineen pitämiseksi painovoimaa vastaan. Loppujen lopuksi painovoima kykenee edelleen käyttämään voimaa, näyttää siltä, että tämä.
Aine romahtaa, eikä mikään luonnonvoima voi jättää tämän romahtamisen.
Äärettömän ajan kuluessa tähti romahtaa äärettömän pieneen pisteeseen: singulaarisuuteen tai kutsutaan sitä mustaksi reikäksi. Mutta tietysti rajallisessa ajassa, tähtien ydin romahtaa jotain äärellisiä ulottuvuuksia, ja sillä on silti valtava massa äärettömän pienellä alueella. Ja sitä kutsutaan myös mustaksi reikäksi.
Mustat reiät eivät ime kaikkea ympärillä olevaa
On huomattava, että ajatus siitä, että musta aukko imee väistämättä kaiken itsensä, on väärä.
Itse asiassa, kiertääkö tähtiä tai tähdestä muodostettu musta aukko, sillä ei ole väliä niin kauan kuin massa pysyy samana. Hyvä vanhanaikainen keskipakoisvoima ja kulmasi vauhti pitävät sinut turvassa ja estävät putoamisen.
Ainoastaan, kun kytket rakettijarrut keskeyttääksesi linkouksen, alkaa pudota sisäänpäin.
Heti kun alkaa pudota mustiin reikiin, kiihtyy vähitellen yhä suuremmille nopeuksille, kunnes lopulta saavutat valon nopeuden.
Miksi kvanttiteoria ja yleinen suhteellisuusteoria ovat yhteensopimattomia?
Tällä hetkellä kaikki menee paloiksi, koska yleisen relatiivisuuden suhteen mikään ei voi liikkua nopeammin kuin valon nopeus.
Valo on substraatti, jota käytetään kvantimaailmassa voimien vaihtamiseen ja tiedon siirtämiseen makrokosmiin. Valo määrittelee, kuinka nopeasti syy ja seuraus voidaan yhdistää. Jos liikutat valoa nopeammin, voit nähdä tapahtumia ja muuttaa asioita ennen niiden tapahtumista. Ja tällä on kaksi seurausta:
- Pisteessä, jossa saavutat valon nopeuden putoamalla sisäänpäin, sinun täytyy myös lentää siitä kohdasta vielä suuremmalla nopeudella, mikä vaikuttaa mahdottomalta. Siksi perinteinen fyysinen viisaus kertoo sinulle, että mikään ei voi jättää mustaa reikää rikkomalla tämä este, jota kutsumme myös "tapahtumahorisontiksi".
- Tästä seuraa myös, että kvantitietojen säilyttämisen perusperiaatteita rikotaan yhtäkkiä.
Onko tämä totta ja kuinka voimme muuttaa painovoiman teoriaa (tai kvanttifysiikkaa), ovat kysymyksiä, joihin monet fyysikot etsivät vastauksia. Ja kukaan meistä ei voi sanoa, millä väitteillä loppumme.
Onko mustia aukkoja olemassa?
Kaikki tämä jännitys olisi selvästi perusteltua vain, jos mustia reikiä todella olisi tässä universumissa. Joten niitä on olemassa?
Viime vuosisadalla on lopullisesti todistettu, että jotkut binäärit, joilla on voimakas röntgensäde, ovat oikeastaan tähtiä, joka on romahtanut mustiksi reikiksi.
Lisäksi galaksien keskuksista löydämme usein todisteita valtavista, tummista massapitoisuuksista. Nämä voivat olla mustien reikien supermassiivisia versioita, jotka todennäköisesti muodostuvat yhdistämällä galaksin keskipisteeseen syöksyneitä tähtiä ja kaasupilviä.
Todisteet ovat vahvat, mutta epäsuorat. Painovoima-aaltojen ansiosta voimme ainakin "kuulla" mustien reikien yhdistymisen, mutta tapahtumahorisontin allekirjoitus on edelleen vaikeasti toteutettu eikä emme ole koskaan "nähneet" mustia reikiä toistaiseksi - ne ovat yksinkertaisesti liian pieniä, liian kaukana ja useimmissa tapauksissa liian mustia.
Miltä musta aukko näyttää?
Jos katsot suoraan mustaan aukkoon, näet tummemman kuviteltavissa olevan pimeyden.
Mutta mustan aukon lähiympäristö voi olla tarpeeksi kirkas, kun kaasut kiertyvät sisäänpäin - hidastuessa niiden kuljettamien magneettikentien vastustuskyvyn vuoksi.
Magneettisen kitkan takia kaasu kuumenee valtavaan lämpötilaan, joka on useita kymmeniä miljardeja asteita, ja se alkaa säteillä ultravioletti- ja röntgensäteitä.
Kaasun magneettikentän kanssa vuorovaikutuksessa olevat ultrakuumat elektronit alkavat tuottaa voimakasta radiosäteilyä. Siten mustat aukot voivat hehkua ja ne voidaan ympäröida eri aallonpituuksilla säteilevällä tulenrenkaalla.
Tulipalo rengas musta-musta keskellä
Ja silti, keskellä, tapahtumahorisontti tarttuu kuin petolintu, jokainen fotoni, joka tulee liian lähelle.
Koska tilaa on kaareva mustan aukon valtavan massan takia, myös valopolut taipuvat ja muodostavat jopa melkein samankeskisiä ympyröitä mustan aukon ympärille, kuten käärmeet syvän laakson ympärillä. Kuuluisa matemaatikko David Hilbert laski tämän valokehysrenkaan jo vuonna 1916 vain muutaman kuukauden kuluttua siitä, kun Albert Einstein suoritti yleisen suhteellisuusteorian teoriansa.
Kun olet kulkenut mustan aukon useita kertoja, osa valonsäteistä voi paeta, kun taas toiset päätyvät tapahtumahorisonttiin. Tällä monimutkaisella valopolulla voit kirjaimellisesti katsoa mustaan aukkoon. Ja katseellesi ilmestyvä "ei mitään" on tapahtumahorisontti.
Jos ottaisit kuvan mustasta aukosta, näkisit mustan varjon, jota ympäröi hehkuva valonsumu. Kutsimme tätä ominaisuutta mustan aukon varjona.
Huomattavana on, että tämä varjo näyttää olevan suurempi kuin voitaisiin odottaa, jos lähdemme tapahtumahorisontin halkaisijasta. Syynä on, että musta reikä toimii kuin jättiläinen linssi, vahvistaa itseään.
Varjoympäristöä edustaa pieni "fotonirengas" valon takia, joka pyörii mustan aukon ympärillä melkein ikuisesti. Lisäksi näet lisää valorenkaita näkyvän lähellä tapahtumahorisonttia, mutta keskittyen linssin vaikutuksen vuoksi mustan aukon varjon ympärille.
Fantasia vai todellisuus?
Voisiko musta aukko olla todellinen keksintö, jota voidaan mallintaa vain tietokoneella? Vai voitko nähdä sen käytännössä? Vastaus: se on mahdollista.
Universumissa on kaksi suhteellisen lähellä olevaa supermassiivista mustaa reikää, jotka ovat niin suuria ja lähellä, että niiden varjot voidaan vangita nykyaikaisella tekniikalla.
Linnunradan keskipisteessä on mustia reikiä, jotka ovat 26 000 valovuoden päässä ja joiden massa on 4 miljoonaa kertaa Auringon massa, ja mustan aukon jättiläisessä elliptisessä galaksissa M87 (Messier 87), jonka massa on 3–6 miljardia aurinkopainoa.
M87 on tuhat kertaa kauempana, mutta tuhat kertaa massiivisempi ja tuhat kertaa suurempi, joten molemmilla esineillä on suunnilleen sama halkaisija varjoa, joka heijastuu taivaalle.
Katso sinappihiuta New Yorkista Euroopasta
Sattumalta yksinkertaiset säteilyteoriat ennustavat, että molemmille kohteille tapahtumahorisontin lähellä syntyvä säteily emittoidaan radiotaajuuksilla 230 Hz tai enemmän.
Suurin osa meistä kohtaa nämä taajuudet vasta, kun joudumme läpi skannerin nykyaikaisella lentokentällä. Mustat aukot ovat jatkuvasti uimassa niissä.
Tällä säteilyllä on hyvin lyhyt aallonpituus - millimetrin luokkaa -, joka imee veteen helposti. Jotta kaukoputki voi tarkkailla kosmisia millimetriaaltoja, se on asetettava korkealle kuivalle vuorelle säteilyn imeytymisen välttämiseksi maan troposfäärissä.
Periaatteessa tarvitsemme millimetrisen kaukoputken, joka näkee New Yorkin sinappisiemen koon esineen jostakin Alankomaista. Tämä kaukoputki on tuhat kertaa terävämpi kuin Hubble-avaruusteleskooppi, ja millimetrin aallonpituuksilla tällaisen kaukoputken koko on Atlantin valtameri tai suurempi.
Maan kokoinen virtuaalinen kaukoputki
Onneksi meidän ei tarvitse peittää maata yhdellä radiolautasella, koska voimme rakentaa virtuaalisen kaukoputken, jolla on sama resoluutio yhdistämällä maapallon eri vuorilla sijaitsevien kaukoputkien tietoja.
Tätä tekniikkaa kutsutaan aukon synteesiksi ja erittäin pitkäksi perusinterferometriaksi (VLBI). Idea on melko vanha ja todistettu useiden vuosikymmenien ajan, mutta vasta nyt on tullut mahdolliseksi soveltaa sitä korkeilla radiotaajuuksilla.
Ensimmäiset onnistuneet kokeet osoittivat, että tapahtumahorisontin rakenteita voidaan tutkia tällaisilla taajuuksilla. Nyt on kaikki mitä tarvitset tällaisen kokeen suorittamiseen laajassa mittakaavassa.
Työ on jo käynnissä
BlackHoleCam-projekti on eurooppalainen projekti, jolla saadaan lopullinen kuva, mittaus ja ymmärrys astrofysikaalisista mustista reikistä. Eurooppalainen projekti on osa maailmanlaajuista yhteistyötä - Event Horizon Telescope -konsortio, johon kuuluu yli 200 tutkijaa Euroopasta, Amerikasta, Aasiasta ja Afrikasta. Yhdessä he haluavat ottaa ensimmäisen kuvan mustasta aukosta.
Huhtikuussa 2017 he havaitsivat galaktisen keskuksen ja M87 kahdeksalla kaukoputkella kuudessa eri vuoressa Espanjassa, Arizonassa, Havaijilla, Meksikossa, Chilessä ja etelänavalla.
Kaikki kaukoputket oli varustettu tarkkoilla atomikelloilla niiden tietojen synkronoimiseksi tarkasti. Tutkijat tallensivat useita petatavuja raakadataa yllättävän hyvien sääolosuhteiden ansiosta ympäri maailmaa tuolloin.
Kuva mustasta aukosta
Jos tutkijoilla on mahdollisuus nähdä tapahtumahorisontti, he tietävät, että kvantiteorian ja yleisen relatiivisuuden suhteen liittyvät ongelmat eivät ole abstrakteja, vaan erittäin todellisia. Ehkä silloin ne voidaan ratkaista.
Tämä voidaan tehdä saamalla selkeämpiä kuvia mustien reikien varjoista tai seuraamalla tähtiä ja pulsaareja matkalla mustien reikien ympärille, käyttämällä kaikkia käytettävissä olevia menetelmiä näiden esineiden tutkimiseen.
Ehkä mustista aukoista tulee tulevaisuuden eksoottisia laboratorioita.
Ilja Khel