singulariteetti

Mustat aukot eivät ehkä olekaan umpikujia

Ke, 06/08/2016 - 11:05 By Markus Hotakainen

Teoriassa musta aukko voi olla madonreiän, kosmisen oikotien alkupiste. Ongelmana ovat kuitenkin gravitaation aikaansaamat suunnattomat vuorovesivoimat, jotka repivät pelottomimmankin reissaajan kappaleiksi ennen kuin matka on kunnolla alkanutkaan.

Tai sitten ei. Diego Rubiera-Garcian johtama ryhmä on tutkinut asiaa tarkemmin. Jo aiemmin ryhmä on päätynyt tulokseen, että vailla singulariteettia olevan mustan aukon keskellä on pallomainen madonreikärakenne, jonka ulottuvuudet ovat jotain muuta kuin pistemäisen singulariteetin nollamitat.

Nyt ryhmä on pohtinut, mitä ihmiselle tai mille tahansa aineelliselle kappaleelle tapahtuisi, jos se päätyisi tällaiseen madonreikään. Lähtökohtana oli, että kappaletta tarkasteltiin joukkona pisteitä, joita pitävät koossa fysikaaliset ja kemialliset vuorovaikutukset.

"Jokainen havaitsijan hiukkanen kulkee pitkin geodeettista viivaa, jonka gravitaatiokenttä määrittää. Kunkin viivan kohdalla gravitaatiovoima on hieman erisuuruinen, mutta kehon hiukkasten väliset vuorovaikutukset pystyvät kuitenkin pitämään kehon kasassa", selittää Rubiera-Garcia.

Suhteellisuusteorian mukaan mustaa aukkoa lähestyvä kappale rutistuu yhdessä suunnassa ja venyy toisessa. Jos madonreiän halkaisija on nollasta poikkeava, kappale rutistuu vain madonreiän kokoa vastaavasti. Geodeettiset linjat eivät kohtaa yhdessä pisteessä, vaan jatkavat rinnakkain madonreiän läpi.

Tutkimuksessa tarkasteltiin myös valonsäteen kulkuaikaa kappaleen eri osien välillä ja se osoittautui äärelliseksi. Siten hiukkasten väliset vuorovaikutukset säilyvät, ja syyn sekä seurauksen suhde pysyy samana myös madonreiän tuolla puolen.

Madonreikiä voitaisiin siten käyttää tieteistarinoiden tapaan kaukaisten kosmoksen kolkkien koluamiseen.

Tutkimuksesta kerrottiin Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaçon uutissivuilla ja se on julkaistu Classical and Quantum Gravity -tiedelehdessä.

Kuva: Alain r/CC BY-SA 2.5

 

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