Mainitsin edellisessä merkinnässä galaksin keskustassa lymyilevästä kolmen miljoonan Auringon massaisesta mahdollisesta mustasta aukosta. Kommenteissa tuli esiin pienempien mustien aukkojen synty.

Mustat aukot --sikäli kun niitä on olemassa-- voidaan jakaa kolmeen ryhmään: jättiläisiin, keskikokoisiin ja minikokoisiin. (Sanat suuri ja pieni ovat turhan vaatimattomia.) Ensiksi mainitut ovat miljoonia tai miljardeja kertoja Aurinkoa massiivisempia, ja niistä on havaintoja useiden galaksien ytimessä. Ei tiedetä miten nämä raskaat huiput syntyvät; niiden kasvu liittyy galaksien kehitykseen, mutta yksityiskohtia ei tunneta.

Keskikokoisten mustien aukkojen tapaus on sen sijaan selvä. Tähtien ollessa nuoria ja vetreitä niiden sisustan fuusioreaktioissa syntyvien fotonien paine pitää ne kasassa. Ydinpolttoaineen loputtua säteilyn paine katoaa ja tähti luhistuu. Jos tähti on kohtuullisen pieni, tavallisen aineen paine saattaa pysäyttää romahduksen, niin että jäljelle jää tasapainoinen eläkeläinen.

Jos tähti on liian massiivinen rauhoittuakseen, se luisuu holtittomasti mustaksi aukoksi. Mustan aukon muodostumisen tarkka massaraja riippuu aineen käytöksestä romahduksen äärimmäisissä olosuhteissa, mutta se on suunnilleen kolme Auringon massaa. Alkuperäinen tähti voi olla raskaampi tai kevyempi, koska se saattaa menettää massaa elämänsä loppuräjähdyksessä tai imeä sitä joltain seuralaiselta.

Syntyprosessien tuntemuksen lisäksi on toinenkin ero jättiläismäisiin mustiin aukkoihin nähden: keskikokoisista mustista aukoista ole havaintoja. Tässä ei ole mitään kummallista. Ne eivät mainosta itseään valoa lähettämällä ja kun vetovoimakin on aika vaatimaton, sitä jää helposti huomiotta. Näiden mustien aukkojen havaitseminen saattaa kuitenkin olla lähitulevaisuudessa mahdollista niiden törmäyksissä syntyvien gravitaatiaaltojen avulla; palaan kenties aiheeseen myöhemmin.

Sarjan kolmannesta osasta, miniaukoista, ei ole sen enempää teoreettista varmuutta kuin havaintojakaan: niiden paikka on toistaiseksi teoreetikkojen leikkikentällä. Kuten nimi kertoo, miniaukkojen massa on hyvin pieni -- kosmologiasta kun on kyse, tämä tarkoittaa tyypillisesti miljardia tonnia tai enemmän. Miljardin tonnin painoiset mustat aukot ovat saman kokoisia kuin protoni, eli ne kuuluvat ennemmin hiukkasfysiikan kuin tähtitieteen piiriin.

On vaikea keksiä mitään ilmiöitä, jotka voisivat nykypäivinä puristaa ainetta noin hirvittävään tiheyteen. Mutta ennen vanhaan asiat olivat toisin, ja miniaukkoja saattoi syntyä maailmankaikkeuden ensihetkinä. Parhaan tämänhetkisen arvelun, joka myös inflaationa tunnetaan, mukaan kaikki rakenteet ovat peräisin varhaisten aikojen kvanttivärähtelyistä. Näihin ryppyihin liittyy tiheysvaihteluita: joissain kohdissa avaruutta on enemmän massaa kuin muualla. Joidenkin alueiden tiheys voi olla niin suuri, että ne romahtavat mustiksi aukoiksi. Koska maailmankaikkeus laajenee, pituudet olivat ennen lyhyempiä, ja varhaiset mustat aukot voivat olla aivan minikokoisia.

Kun keskikokoisten aukkojen kanssa on jo vaikeaa, niin voisi luulla, että noiden mikroskooppisten aukkojen havaitseminen on toivotonta puuhaa. Yksittäisten aukkojen kohdalla näin onkin, mutta yksilöiden heikkoutta voi korvata määrällä. Jos varhaisia mustia aukkoja on tarpeeksi paljon, niiden gravitaatiovaikutuksen näkee, vaikka yksittäisiä aukkoja ei erota. Onkin ehdotettu, että pimeä aine koostuu tuollaisista varhaisessa maailmankaikkaudessa syntyneistä mustista aukoista.

Pimeälle aineelle on lukuisia muitakin ehdokkaita, ja ongelmana on selvittää, mikä niistä olisi oikea. Hiukkasista koostuvan pimeän aineen tapauksessa tähän on monia konsteja, mustien aukkojen kohdalla työkalupakki on pienempi. Ideassa on myös se heikkous, että useimmissa inflaatiomalleissa kvanttivärähtelyjen synnyttämät tiheysvaihtelut ovat niin heikkoja, että mustia aukkoja syntyy aivan häviävän vähän, eikä niistä mitenkään riitä pimeäksi aineeksi. Tästä syystä mustia aukkoja ei pidetä luultavina pimeän aineen kandidaatteina, mutta mahdollisuus on olemassa niin kauan kuin ei tiedetä, mikä on oikea inflaatiomalli.

Spekulaatio miniaukoista tarjoaa kiinnostavan esimerkin siitä, miten kietoutuneita toisiinsa nykyään ovat hiukkasfysiikka, kosmologia, astrofysiikka sekä yleinen suhteellisuusteoria, jonka keskeinen ennuste mustat aukot ovat.

Kommentit (21)

Pekka

Moi. Onko niin, että jos punnitsee mustia aukkoja ja katsoo massojen jakaumaa, niin punnitusdatasta tosiaan voi havaita että ne ovat jakaantuneet selvästi kolmeen eri painoluokkaan, ikäänkuin "painoportaisiin"? Olisin kuvitellut että massajakauma olisi varsin logaritminen luonteeltaan.
Minikokoiset aukot ymmärtääkseni haihtuvat nopeasti, Hawking taisi tämän osoittaa matemaattisesti. Mikä mahtaa olla protonin kokoluokkaa olevan aukon haihtumisaika?

lurulude

Äkkiseltään laskettuna tuommoinen protonin kokoinen aukko painaisi n. 10^11kg ja sen haihtumiseen kuluisi 2.7 miljardia vuotta

tiedemies

Olisi kiinnostavaa kuulla kommenttiasi Hawkingin säteilyn ja näiden mikrokokoisten mustien aukkojen merkityksestä kosmologian näkökulmasta. Olen ymmärtänyt, että pienet mustat aukot menettävät massaa säteilemällä rajusti ja että musta-aukko ei voi olla pienempi kuin Planckin massan verran. Muutoinkin, olisi kiinnostavaa, jos kommentoisit, tai kirjoittaisit jotain yleisemmin Planckin yksiköistä ja niiden kosmologisesta merkityksestä.

(Hävisiköhän edellinen viestini vahingossa, vai oliko se kenties asiaankuulumaton?)

Alan Dorkin

Syksy kirjoitti muun muassa:
"Miljardin tonnin painoiset mustat aukot ovat saman kokoisia kuin protoni, eli ne kuuluvat ennemmin hiukkasfysiikan kuin tähtitieteen piiriin."

Jos oletamme, että minikokoisia mustia aukkoja todella olisi olemassa, millainen ero tällaisen protonin kokoisen "miniaukon" törmäys esim. maapallon kanssa olisi, vaikkapa miljardin tonnin komeetan törmäykseen verrattuna? Olisivatko seuraukset yhtä katastrofaaliset?

milou

Kun mustien aukkojen koosta puhutaan, puhutaanko silloin tapahtumahorisontin koosta? Olen lukenut, että tapahtumahorisnotin jälkeen mikään ei pysäytä aukon romahdusta, vaan materia romahtaa äärettömän pieneksi ja tiheäksi singulariteetiksi. Eikö sillä ole väliä, kuinka paljon massaa alunperin romahtaa kasaan, vai onko singulariteetti vain joku matemaattinen termi? On vaikea kuvitella, että mikä tahansa massa romahtaisi yhdeksi pisteeksi.

Ainoa tapa minulle (mikä ei tietystä tarkoita yhtään mitään) ymmärtää tuo termi olisi, jos romahtava massa muuttuisi joksikin merkilliseksi puhtaaksi energiaksi ilman massaa, jolloin ei ekä tarvittaisi edes koko tilavuusyksikköä. Millaista se energia sitten olisi on hieman hakusessa, mutta pimeän energiankin olemus lienee hausessa muutenkin. Energia gravittaiovaikutus kuitenkin olisi olemassa.

Pitäisikö mustan aukon edes säteillä mitään näkyvää, jos siellä "ei ole mitään"? Gravitaatio tietysti näkyisi.

Syksy Räsänen

Pekka:

Kuten sanottua, ainoat mustat aukot (tai oikeammin musta aukko -kandidaatit) joista on mitään havaintoja, ovat nuo supermassiiviset mustat aukot.

Jos inflaatiosyntyiset tiheät alueet romahtavat pieniksi mustiksi aukoiksi, tyypillisesti niitä syntyy paljon erimassaisia. Tuo tuhat miljardia kiloa on suunnilleen se raja, jota pienemmät mustat aukot olisivat haihtuneet ennen nykypäivää. (Tuon massaisen aukon elinikä on noin 3000 miljardia vuotta, kymmenen kertaa kevyemmän vain 3 miljardia vuotta, ja maailmankaikkeus on noin 13-14 miljardia vuotta vanha.)

Esa Sakkinen

Hei,

Mikä kysymyksissäni oli vikana? Ensin ilmestyi kommentteihin ja nyt näyttää häipyneen.
Kysyin voiko alkeishiukkaset mieltää mustiksi aukoiksi, jos niissä onkin jokin perusmekanismi, etteivät haihdu...

(mielellään sähköpostiin jotain vastinetta, kiitos - ja/tai vastausta, jos ei julkisesti halua vastata.)

Mikko Hänninen

Sopivasti aiheeseen liittyen, "Chandra kuvasi mustien aukkojen renkaan" http://www.avaruus.fi/index.php?id=1812 - ja kyse on nimenomaan noista keskikokoisista mustista aukoista. Alkuperäinen artikkeli täällä: http://chandra.harvard.edu/photo/2011/arp147/ joskin palvelin tuntui ainakin tällä hetkellä olevan aika tukossa.

Tuo nyt on uutisointia eikä välttämättä tieteellinen tutkielma, mutta silti, sattuipa sopivasti.

Jyri Tynkkynen

Kiitos taas mielenkiintoisesta artikelista.

Mitä tapahtuisi, jos kaksi neutronitähteä sulautuisi? Oletetaan, että ennen sulautumista niiden yhteenlaskettu massa olisi riittävä mustan aukon synnyttämiseen.

Miten prosessi etenisi? Syntyisikö musta aukko vai suuri purkaus?

Pekka

Esa Sakkinen kirjoittaa:
15. helmikuuta 2011 kello 0.08

Hei,

Mikä kysymyksissäni oli vikana? Ensin ilmestyi kommentteihin ja nyt näyttää häipyneen.
Kysyin voiko alkeishiukkaset mieltää mustiksi aukoiksi, jos niissä onkin jokin perusmekanismi, etteivät haihdu…
Anteeksi, mutta mielestäni alkuperäisessä kysymyksessäsi ei ollut mitään sellaista mihin täysjärkinen fyysikko voisi vastata yhtään mitään.

Syksy Räsänen

Esa Sakkinen:

Poistan sekavia kommentteja joihin vastaaminen ei ole mielekästä.

tiedemies:

Olisiko niin, että kommenttisi oli ollut vastaus johonkin poistettuun?

Syksy Räsänen

tiedemies:

Yleisen käsityksen mukaan mustat aukot säteilevät, ja säteilyteho on kääntäen verrannollinen massan neliöön. Hyvin pienien mustien aukkojen säteilyteho kasvaa siis rajatta, mikä tarkoittaa sitä, että siihen laskuun, jolla säteilyteho lasketaan, ei voi enää luottaa. Yksi mahdollisuus, jolla on spekuloitu, on se, että erittäin pienet mustat aukot lakkaavat säteilemästä.

Palaan kenties Planckin skaalaan myöhemmin.

Syksy Räsänen

Alan Dorkin:

En tiedä mitä miljardin tonnin kokoisen mustan aukon törmäys Maahan aiheuttaisi. Tulos riippunee myös siitä, millä nopeudella aukko törmäisi.

Syksy Räsänen

milou:

Kyllä, mustien aukkojen koko viittaa tapahtumahorisontin kokoon. Mustan aukon keskustassa tosiaan on äärettömän tiheä piste, singulariteetti. Yleisesti ajatellaan, että tämä tarkoittaa sitä, että yleinen suhteellisuusteoria ei enää päde aivan keskustassa, ja sen ymmärtämiseen tarvitaan kvanttigravitaatioteoriaa.

Syksy Räsänen

Mikko Hänninen:

Kiintoisaa, joskaan en ole varma noiden massakeskittymien tulkinnasta mustiksi aukoiksi.

Syksy Räsänen

Jari Tynkkynen:

En tiedä törmäävätkö neutronitähdet niin voimakkaasti, että ne sulautuisivat yhteen mustaksi aukoksi.

Esa Sakkinen

Etsiskelin tutkimusjulkaisuista ja viime syksynä näyttäisi tehdyn viimeisintä analyysia alkeishiukkasten musta aukko -geometriasta: http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/1003/1003.2928v2.pdf - lisäyksiäkin oli luvassa...

Tekemistä näyttää riittävän, mutta myös joitain varteenotettavia johtopäätöksia valonluonteisesta koherentista energiasilmukasta on tuossa esitetty. Voivathan nämä vaikuttaa sekavilta asioilta, mutta jotkut sentään yrittävät. Vaistosin, että olisit Syksy skeptinen mustien aukkojen ja singulariteetin syntymiseen hiukkasten kasaantuessa, minä ainakin olen. Siksi arvelin sinun kiinnostuneen alkeishiukkasten kuvaamisesta mm. Kerr-Newman kenttien avulla suhteellisuusteoreettisin yhtälöin. Silloinhan vältetään singulariteetin muodostumisen vaiheen arvoitukset, kun ei sinne alkeishiukkasten sisään tarvitse sen enempää tunkea.

Yleensäkin tieteen popularisointia avoimien kysymysten vaihtoehdoista ja siten ajattelun stimulointia hyväksyttyjen menninkäisten vastapainoksi kaipaan rajoitetulla kielialueellamme.

Pekka

Moi,
muistelen lukeneeni, että LHC:n käynnistelyvaiheessa esiintyi huolestuneita kirjoituksia siitä, että mitäs jos LHC saa aikaan mustan aukon mikä sitten "nielaisee" koko maapallon... Eikös mahdollisessa mustan aukon syntymisessä LHC:n energioilla kuitenkin puhuta niin pienistä dimensioista, kuten nano tai piko, että vaikka tällainen ihmisen aikaansaama musta aukko hetkellisesti syntyisikin, niin sillä ei olisi yhtään mitään vaikutusta meidän ympäristöön. Voidaanko tällaisen piko-luokan aukon syntyminen havaita LHC:n datasta?

Syksy Räsänen

Pekka:

Se mahdollisuus, että mustia aukkoja syntyisi LHC:ssä on hyvin etäinen. Tuntemamme gravitaatiolain puitteissa LHC:ssa tuotettava energiatiheys ei riitä siihen mitenkään. Mutta joissain malleissa, joissa on olemassa ylimääräisia ulottuvuuksia ja ne käyttäytyvät tietyllä tavalla, on hyvällä tuurilla mahdollista että pienikokoisia mustia aukkoja tuotettaisiin LHC:n hiukkastörmäyksissä. Niistä ei parhaan käsityksen mukaan olisi vaaraa, ja niiden oletetaan säteilevän massansa pois nopeasti. Signaaleja mustista aukoista etsitään kyllä LHC:n datasta. (Mitään ei ole löytynyt.)

veccio

Hyvä Syksy! Kohteliaimmin toivon, ettei tämä maallikon tyhmä kysymys, joka on kauan pohdituttanut mieltäni, jäisi kuitenkaan vastaustasi vaille:

Mustan aukon "ikä" lienee häilyvä käsite, eikö aikadilaatio varsinkin massiivisemman aukon yhteydessä aiheuta sen, että nuo meidän kannaltamme miljardit vuodet olisivatkin teoreettisen aukossa - tai sen singulariteetin läheisyydessä - olijan kannalta vain ohikiitäviä hetkiä? Ja vielä: Kun nämä massat meidän kannaltamme ovat ovat ilmeisesti meistä päin katsoen jääneet avaruuden ikuisiksi "jäätyneiksi alueiksi", kysyisinkin:

Mitä tapahtuisi, jos työntäisimme pitkän kepin (n. 1 km) miniaukkoon, tapahtumahorisontin ympärys ehkä100 metriä? Keppihän "jäätyisi" aikadilaation johdosta tapahtumahorisonttiin sitä työnnettäessä? Vai imaisisiko aukon vetovoima kepin saman tien valoa nopeammin suoraan singulariteettiin niin että kepin ulkopuolelle jäävä osakin häviäisi saman tien? Vai jäisikö keppi killumaan tyhjyyteen toinen pää aukkoon juuttuneena ajan hidastuessa, tai pysähtyessä aukossa? Vai imeytyisikö keppi pikku hiljaa aukkoon?

Syksy Räsänen

veccio:

Pääsääntöisesti en vastaa turhan vanhojen merkintöjen kommentteihin.

Seuraa 

Maailmankaikkeutta etsimässä

Blogin päivittäminen on päättynyt.

Syksy Räsänen on teoreettinen fyysikko Helsingin yliopistossa. Syksy kirjoittaa kosmologiasta, hiukkasfysiikasta ja niiden tekemisestä, tai ainakin asioista sinne päin.

Teemat

Blogiarkisto