Mustia aukkoja ei ehkä ole olemassa, mutta villin teorian mukaan pörriäisiä voi olla

Mustat aukot ovat maailmankaikkeuden ylivoimaisesti salaperäisimpiä kohteita. Ne ovat kosmoksen kohteita, joissa kaikki tietomme fysiikasta hajoaa täysin.

Ja silti ne ovat näennäisestä mahdottomuudestaan huolimatta olemassa. Mutta entä jos nämä gravitaatiohirviöt eivät olekaan mustia aukkoja, vaan pikemminkin kosminen vastine sumeille, värähteleville narupalloille?

Uudet tutkimustulokset viittaavat siihen, että näin voi olla, ja että tulevien havaintojen avulla voimme ehkä jopa nähdä ne.

Seuraavaa: Suurimmat mustien aukkojen löydöt

Mustien aukkojen ongelma

Mustat aukot esiintyvät Einsteinin yleisessä suhteellisuusteoriassa, ja kaiken järjen mukaan niitä ei yksinkertaisesti pitäisi olla olemassa. Tuossa teoriassa, jos ainerykelmä rutistuu tarpeeksi pieneksi tilavuudeksi, gravitaatiosta voi tulla ylivoimaisen voimakas. Tämä mieletön painovoiman puristuminen voi päihittää kaikki muut luonnon neljä perusvoimaa – kuten vahvan ydinvoiman, joka pitää tuon ainekimpaleen kasassa. Kun tietty kriittinen kynnysarvo saavutetaan, ainerykelmä vain puristuu ja puristuu, puristuen äärettömän pieneksi pisteeksi.

Tätä äärettömän pientä pistettä kutsutaan singulariteetiksi, ja sitä ympäröi pinta, jota kutsutaan tapahtumahorisontiksi – paikka, jossa painovoiman sisäänpäin suuntautuva vetovoima ylittää valon nopeuden.

Tietenkään äärettömän pientä pistettä ei ole olemassakaan, joten tämä kuva vaikuttaa väärältä. Mutta 1900-luvun puolivälissä tähtitieteilijät alkoivat löytää kohteita, jotka näyttivät mustilta aukoilta, käyttäytyivät kuin mustat aukot ja luultavasti myös haisivat kuin mustat aukot. Mahdottomuudestaan huolimatta niitä oli, ja ne leijuivat ympäri maailmankaikkeutta.

Eikä tämä ole ainoa ongelma. Vuonna 1976 fyysikko Stephen Hawking tajusi, että mustat aukot eivät ole täysin mustia. Kvanttimekaniikan omituisuudesta johtuen mustat aukot hitaasti haihtuvat. Tämä johti paradoksiin: kaikki mustaan aukkoon putoava informaatio lukittuu sen sisälle. Hawkingin säteily ei kuitenkaan kuljeta tuota tietoa pois (ainakaan käsityksemme mukaan). Joten kun musta aukko lopulta haihtuu, mitä kaikelle tälle informaatiolle tapahtuu?

Suhteessa: Stephen Hawkingin kaukaisimmat ideat mustista aukoista

Säikeinen ratkaisu

Kymmenien vuosien ajan teoreettiset fyysikot ovat tehneet kovasti töitä löytääkseen jotain – mitä tahansa – selittämään mustia aukkoja. Jotain, joka selittää informaatioparadoksin ja jotakin, jolla singulariteetin voisi korvata matematiikalla, joka toimii.

Muun muassa nämä teoreetikot työskentelevät säieteorian parissa, joka on maailmankaikkeuden malli, jossa kaikki rakastamasi hiukkaset ja voimat korvataan subatomisilla, värähtelevillä säikeillä. Säieteoriassa nämä säikeet ovat universumin aineen peruskomponentteja, mutta emme voi nähdä niitä säikeinä, koska ne ovat niin pieniä. Niin, ja jotta jousiteorian matematiikka toimisi, täytyy olla ylimääräisiä ulottuvuuksia – kaikki pieniä, mitä tahansa itseensä käpristyneitä subatomisiin mittakaavoihin niin, ettemme näe niitäkään.

Jousiteoria väittää olevansa kaiken teoria, joka kykenee selittämään kaikenlaiset hiukkaset, kaikenlaiset voimat ja periaatteessa kaiken maailmankaikkeudessa (ja täydellisyyden vuoksi koko maailmankaikkeuden itsensä).

Siten säieteorian pitäisi pystyä selittämään selittämätöntä: sen pitäisi pystyä korvaamaan mustat aukot jollain vähemmän pelottavalla.

Ja todellakin säieteoreetikot ovat ehdottaneet vähemmän pelottavaa korvaajaa mustille aukoille. Niitä kutsutaan fuzzballsiksi.

Langan purku

Jousiteoriassa mustat aukot eivät ole mustia eivätkä reikiä. Sen sijaan paras vertauskuva fuzzballin selittämiseen on tarkastella toista kompaktia ja outoa kohdetta maailmankaikkeudessa: neutronitähtiä.

Neutronitähdet ovat sitä, mitä tapahtuu, kun kohteella ei ole aivan tarpeeksi painovoimaa pakkautuakseen siihen, mitä me kutsumme mustaksi aukoksi. Neutronitähden sisällä aine puristuu suurimpaan mahdolliseen tiheyteen. Neutronit ovat yksi atomien peruskomponenteista, mutta ne leikkivät yleensä muiden hiukkasten, kuten protonien ja elektronien, kanssa. Mutta neutronitähdessä tällainen atomien toveruus hajoaa ja liukenee, ja jäljelle jäävät pelkät neutronit, jotka on ahdettu yhteen niin tiiviisti kuin mahdollista.

Sotkuisissa palloissa perusjouset lakkaavat toimimasta yhdessä, ja ne yksinkertaisesti ahtautuvat yhteen muodostaen ison, noh, jousipallon. Fuzzball.

Fuzzballs ei ole täysin selvillä edes teoriassa, koska niin hienolta kuin jousiteoria kuulostaakin, kukaan ei ole koskaan kyennyt keksimään sille täydellistä matemaattista ratkaisua – ja niinpä fuzzballsit eivät ole epäselviä vain fysikaalisessa todellisuudessa vaan myös matemaattisissa mahdollisuuksissa.

Siltikin saatamme ehkä löytää fuzzballsit tulevien tutkimusten avulla, kuten kuvaillaan lokakuun 27. päivänä julkaistussa katsausartikkelissa, joka julkaistiin julkaisemassa 27.10. esijulkaisuajankirjoituslehdessä ARXiv. Olemme vasta nyt siirtymässä mustien aukkojen olemassaolon todistamisen ohi kohti

niiden käyttäytymisen yksityiskohtien tutkimista, ja paras keinomme tehdä se on gravitaatioaallot.

Kun mustat aukot törmäävät toisiinsa ja sulautuvat toisiinsa, ne vapauttavat gravitaatioaaltojen tsunamin, joka huuhtoutuu kosmoksen halki ja saavuttaa lopulta havaintolaitteemme Maan päällä. Kaikkien toistaiseksi todistamiemme kymmenien mustien aukkojen sulautumisten kohdalla gravitaatioaaltojälki on juuri sitä, mitä yleinen suhteellisuusteoria ennustaa mustien aukkojen tekevän.

Mutta tulevilla instrumenteilla, kuten edistyksellisellä laserinterferometri-gravitaatioaalto-observatoriolla (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) ja laserinterferometri-avaruusantennilla (ehdotettu avaruuspohjainen gravitaatioaaltojen havaintolaitteisto), saattaisi löytyä tarpeeksi herkkyyttä, jotta ne pystyisivät erottaa toisistaan tavanomaiset mustat aukot ja jousenmuotoiset sumeat sumeat aukkopaineet. Sanon ”saattaa”, koska eri pörröpallomallit ennustavat erilaisia poikkeamia mustien aukkojen tavanomaisesta käyttäytymisestä.

Jos pystymme löytämään todisteita pörröpalloista, se ei vastaisi vain kysymykseen siitä, mitä mustat aukot oikeastaan ovat, vaan paljastaisi joitakin luonnon syvimpiä perusteita.

Originally published on Live Science.