yleinen suhteellisuusteoria

Tutkijat aikovat testata Einsteinin teoriaa mustilla aukoilla

Ke, 04/18/2018 - 15:21 By Markus Hotakainen

Yksi Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian ennusteista oli mustat aukot. Se ei kuitenkaan ole ainoa gravitaatioteoria, jonka mukaan niitä voi syntyä.

Mustien aukkojen olemassaolo on jokseenkin kiistatonta, sillä niiden törmäyksissä syntyneitä gravitaatioaaltoja on onnistuttu havaitsemaan. Sähkömagneettiseen säteilyyn perustuvia suoria havaintoja ei silti ole vieläkään pystytty tekemään.

Siksi ei ole täyttä varmuutta, ovatko avaruuden mustat aukot "einsteinilaisia" vai jonkin vaihtoehtoisen gravitaatioteorian mukaisia olioita.

Mustaan aukkoon syöksyvän aineen fotoneista eli valohiukkasista osa pääsee karkuun, mistä on seurauksena, että musta aukko saa aikaan eräänlaisen "varjon", joka erottuu taustataivasta vasten. Varjon koko ja muoto riippuvat mustan aukon ominaisuuksista ja gravitaatioteoriasta, jonka mukaisia sen ominaisuudet ovat.

BlackHoleCam-projektin tutkijat pyrkivät selvittämään, miten mustien aukkojen todellinen luonne pystyttäisiin käytännössä tunnistamaan niiden heittämän varjon perusteella. He ovat mallintaneet Linnunradan keskuksessa sijaitsevaa supermassiivista mustaa aukkoa Sagittarius A* sekä suhteellisuusteorian että säieteorian mukaisilla laskelmilla.

Kuvan "Kerr"-versio on Einsteinin teorian ja "Dilaton" säieteorian mukaisen mustan aukon aiheuttama varjo. Vasemmanpuoleiset kuvat ovat perussimulaatioita, oikeanpuoleisissa on otettu huomioon havainto-olosuhteiden vaikutus syntyvään kuvaan.

Oikeasti tällaisia kuvia ei vielä saada otettua edes Linnunradan keskellä olevasta supermassiivisesta mustasta aukosta, mutta kansainvälisen Event Horizon Telescope -hankkeen tavoitteena on onnistua siinä lähivuosina.

Mallinnuksessa laskettiin, mitä tapahtuu aineen syöksyessä kahteen erilaiseen mustaan aukkoon ja millaista säteilyä se lähettää juuri ennen katoamistaan.

"Saadaksemme näkyviin mustien aukkojen eroavaisuuksien vaikutukset teimme realistiset simulaatiot kertymäkiekoista lähes identtisillä alkuarvoilla. Se vaati useiden kuukausien laskenta-ajan Instituutin LOEWE-supertietokoneella", kertoo tutkimusta johtanut Yosuke Mizuno.

Simulaatioissa tarkasteltiin myös havaintoihin käytettävien radioteleskooppien erotuskyvyn ja havainto-olosuhteiden vaikutusta lopputulokseen. Tutkijoiden yllätykseksi näyttää siltä, että "vale-einsteinilaisia" mustia aukkoja on vaikea erottaa tavallisista mustista aukoista.

Tulos tarkoittaa sitä, että Event Horizon Telescope -hankkeessa on kehitettävä uudenlaisia analyysimenetelmiä, jos tavoitteena on päästä selvyyteen mustien aukkojen taustalla olevasta gravitaatioteoriasta.

"Vaikka uskommekin, että suhteellisuusteoria on oikea vaihtoehto, tutkijoina meidän on edettävä avoimin mielin", toteaa Luciano Rezzolla.

Simulaatiosta kerrottiin Radioastronomian Max Planck -instituutin uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Nature Astronomy -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Fromm/Younsi/Mizuno/Rezzolla

Viisiulotteinen musta aukko voi "murentaa" suhteellisuusteorian

Ma, 02/22/2016 - 15:16 By Markus Hotakainen
Musta rengasaukko

Tutkijat ovat osoittaneet, että muodoltaan omalaatuinen musta aukko voi tehdä Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian epäkurantiksi. Jotta jännitys ei käy sietämättömäksi, todettakoon samaan hengenvetoon, että moisia kiusankappaleita voi olla olemassa ainoastaan maailmankaikkeudessa, jossa on vähintään viisi ulottuvuutta.

Cambridgen yliopiston ja Lontoon Queen Mary -yliopiston tutkijat ovat mallintaneet mustan aukon, joka on hyvin ohut rengas. Rakenteesta on seurauksena, että renkaaseen voi muodostua pullistumia, joita yhdistävät säikeet käyvät yhä ohkaisemmiksi. Kun säikeet lopulta katkeavat, renkaasta syntyy pieniä erillisiä mustia aukkoja.

Renkaanmuotoiset musta aukot "löydettiin" teoreettisesti jo vuonna 2002, mutta aiemmin sellaisten dynamiikkaa ei ole onnistuttu mallintamaan edes supertietokoneilla.

Jos tällaisia mustia aukkoja todella olisi olemassa, niiden singulariteetti olisi "alaston", jolloin yleisen suhteellisuusteorian lausekkeet eivät enää päde. Vaikka Einsteinin luomus on todettu lukemattomissa kokeissa ja testeissä päteväksi, singulariteetit ovat suhteellisuusteorian kannalta ongelmallisia.

Teorian mukaan singulariteetteja esiintyy mustien aukkojen keskellä, tapahtumahorisontin ympäröiminä.

"Niin kauan kuin singulariteetit pysyttelevät piilossa tapahtumahorisontin tuolla puolen, niistä ei ole harmia ja suhteellisuusteoria toimii – 'kosmisen sensuurin otaksuma' pitää siitä huolen", toteaa Markus Kunesch Cambridgen yliopistosta.

"Kunhan otaksuma pätee, voimme turvallisin mielin laatia ennusteita mustien aukkojen ulkopuolisesta tulevaisuudesta."

Entä jos singulariteetti onkin tapahtumahorisontin ulkopuolella? Silloin se olisi näkyvissä, mutta olisi myös kappale, joka on romahtanut äärettömään tiheyteen. Siinä pisteessä fysiikan lait eivät enää päde. Tällaisia alastomia singulariteetteja on arveltu esiintyvän korkeammissa ulottuvuuksissa.

"Jos alastomia singulariteetteja on olemassa, yleinen suhteellisuusteoria romahtaa", sanoo tutkimuksessa mukana ollut Saran Tunyasuvunakool niin ikään Cambridgesta.

"Ja jos yleinen suhteellisuusteoria romahtaa, kaikki kääntyisi päälaelleen, sillä sen avulla ei enää pystyisi laatimaan ennusteita – sitä ei enää voisi pitää teoriana, jolla voi selittää maailmankaikkeutta."

Einsteinin suhteellisuusteoria ei sanele, montako ulottuvuutta maailmankaikkeudessa voi olla, joten teoreettiset fyysikot ovat tarkastelleet sen toimintaa useammissa ulottuvuuksissa nähdäkseen, päteekö kosmisen sensuurin otaksuma.

Renkaanmuotoisten mustien aukkojen löytyminen viisiulotteisesta maailmankaikkeudesta innosti tutkijoita pohtimaan, voisivatko ne katketa, jolloin syntyisi alaston singulariteetti. Nyt on käynyt ilmi, että niin voi käydä, jos rengas on riittävän ohut.

COSMOS-supertietokoneella tehdyn mallinnuksen mukaan "mustat renkaat" ovat epävakaita. Samalla saatiin laskettua, mitä niille voi aikaa myöten tapahtua. Useimmiten rengas luhistuu palloksi, jolloin singulariteetti pysyy siististi tapahtumahorisontin sisällä.

Ainoastaan hyvin ohut rengas voi muuttua niin epävakaaksi, että siihen muodostuu yhä ohuempien säikeiden yhdistämiä pullistumia. Lopulta ne irtoavat toisistaan, jolloin tuloksena on alaston singulariteetti.

"Jos kosmisen sensuurin otaksuma ei päde useammissa ulottuvuuksissa, meidän täytyy miettiä, mitä erikoista on neliulotteisessa maailmankaikkeudessa, jotta se täällä pätee", pohtii Tunyasuvunakool.

Ellei se päde täälläkään, tarvitaan maailmankaikkeuden selittämiseen toinen teoria. Yksi ehdokas on kvanttigravitaatio. Kaukana singulariteetista sen approksimaationa on Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, mutta kvanttigravitaation avulla pystyttäisiin selittämään myös singulariteetin lähistöllä esiintyvät ilmiöt.

Simulaatiosta kerrottiin Cambridgen yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Pau Figueras, Markus Kunesch, Saran Tunyasuvunakool / University of Cambridge