Avaruuden ahmatti nielee kaiken, mikä lähistölle osuu – eikä sisään solahtanut palaa. Kuva: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science
Avaruuden ahmatti nielee kaiken, mikä lähistölle osuu – eikä sisään solahtanut palaa. Kuva: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science

Mustan aukon pohjalla piilee niin sanottu singulariteetti, jonka vetovoima on ääretön. Siksi mustaan aukkoon eivät päde tavalliset fysiikan lait. Nyt tehdään huimaakin huimempi hyppy: sukelletaan aukon reunalta sen nieluun asti.

Mustalle aukolle saapuminen ei tunnu miltään. Vasta kun haluaisi kääntyä takaisin, karmea totuus paljastuu. Paluuta ei ole, ei vaikka raketti kiihtyisi valon nopeuteen. Aukkoa ympäröivän ns. tapahtumahorisontin voi ylittää vain yhteen suuntaan. Mustiin aukkoihin erikoistunut astrofyysikko Werner Israel kuvaileekin sitä universumin etuvartioksi, viimeiseksi paikaksi, josta voi lähettää postikortin kotiin.

Sisään eksyneelle sen sijaan voi viestittää. Ehkä hän toivoisi eväspakettiakin, sillä hänellä on edessään muutama hyvin mielenkiintoinen tunti.

Seurataan mustalle aukolle saapunutta tyttöä. Muistetaan kuitenkin, että aukot pitävät toistaiseksi salaisuutensa. Nykyisillä laitteillaan tähtitieteilijät näkevät kaasun vyöryvän niihin, mutta heillä ei ole aavistustakaan, mitä sille todella tapahtuu sen jälkeen.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Teoreettisetkin menetelmät, kuten yleinen suhteellisuusteoria, lakkaavat toimimasta syvällä aukon sisällä. Albert Einsteinin teoria rakoilee, sillä mustan aukon keskustaa lähestyttäessä vetovoima kasvaa lopulta äärettömäksi, eikä teoria pysty käsittelemään äärettömiä suureita.

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Pohjalla piilee luonnonoikku

Aukkoa ympäröivän tapahtumahorisontin voi kuvitella aukon reunaksi tai suojakaiteeksi. Kaide ei estä tyttöä luiskahtamasta aukkoon, mutta se estää aukon nielussa piilevää outoa fysiikkaa vuotamasta universumiin.

Mustan aukon pohjalla todella piilee outo luonnonoikku. Massa, joka määrää kuilun syvyyden ja tapahtumahorisontin sijainnin, on pakkautunut yhteen ainoaan pisteeseen, ns. singulariteettiin. Juuri singulariteetin ääretön vetovoima ja tiheys johtavat siihen, etteivät mustaan aukkoon päde tavalliset fysiikan lait.

Tarjolla kolmenlaisia aukkoja

Mitä aukkoa lähestyvälle tapahtuu, riippuu ennen kaikkea aukon massasta. Siihen taas, millaista aukon sisällä on, vaikuttaa voimakkaasti myös matemaattinen malli, jolla aukkoa kuvataan. Mallintamista hankaloittaa se, että singulariteetin luonnehtimiseen tarvitaan ns. kvanttipainovoimaa, jolle ei vielä ole onnistuttu kehittämään toimivaa teoriaa. Malleissa ei myöskään kyetä ottamaan huomioon kaikkia niitä yksityiskohtia, jotka liittyvät mustan aukon syntyyn. Näistä syistä tutkijat eivät todellakaan tiedä, mitä aukossa tapahtuu.

Suhteellisuusteoriasta on kuitenkin muokattu kolme aukkomallia: paikallaan pysyvä Schwarzschildin aukko, pyörivä Kerrin aukko ja sähkövarauksinen Reissnerin-Nordströmin aukko, jonka ei oleteta vastaavan todellisuutta.

Tällä matkalla sukelletaan Schwarzschildin mustaan aukkoon, joka on malleista yksinkertaisin. Sen tapahtumahorisontin ja singulariteetin välissä on pelkkää tyhjää ja hurjasti kaareutunutta avaruutta, luhistuneen tähden venyttämää kuilun seinämää. Tapahtumahorisontti sijaitsee siinä kuilun kohdassa, jonka jyrkkyys estää valonkin pakenemisen.

Suuri aukko lempein

Jotta saamme tyttömme ehjänä matkaan, tipautamme hänet mustaan aukkoon, jonka massa on miljardeja kertoja Auringon massaa suurempi. Suuret aukot näet kohtelevat – ainakin teoriassa – vieraitaan hellemmin kuin pienet aukot. Näin osoittavat muun muassa amerikkalaisen Amos Orin laskelmat.

Syy lempeyteen on se, että massiivisen aukon tapahtumahorisontti sijaitsee kauempana keskustasta kuin pienen aukon. Etäisyyden ansiosta aika-avaruus kaareutuu matkalla singulariteettiin loivemmin kuin pienessä aukossa. Tämän johdosta jättiläisen horisontissa vaikuttavat vuorovesivoimat – ilmiö on sama kuin se, joka aiheuttaa vuorovedet Maassa – ovat heikompia kuin pienen aukon. Vuorovesivoimat eivät revi lähestyjää rikki, vaan hän ajautuu hitaasti kohti aukon pohjaa.

Jos tyttö lähetettäisiin aukkoon, jonka massa on vain kymmenen kertaa Auringon massa, hän tuhoutuisi, muuttuisi spategiksi, jo ennen tapahtumahorisonttia.

Tällaisen pienen aukon vetovoima kasvaa niin jyrkästi, että se muuttuu jo ihmisenkin pituisella matkalla. Siksi tytön jalkoihin – mikäli hän syöksyisi aukkoon jalat edellä – vaikuttaisi huomattavasti suurempi voima kuin hänen päähänsä, ja tyttö venyisi venymistään kuin sula vaha, kunnes napsahtaisi poikki. Riekaleet rojahtaisivat singulariteettiin silmänräpäyksessä.

Pysähtyy ja punastuu

Newtonin vetovoimalain mukaan tytön pitäisi ajautua kiihtyvää vauhtia kohti määränpäätään. Aluksi näin näyttää käyvänkin, mutta kun aukon vetovoima on kiihdyttänyt tytön nopeuden lähelle valon nopeutta, suhteellisuusteoreettiset ilmiöt puuttuvat peliin. Nyt näyttääkin siltä, että tytön eteneminen hidastuu hidastumistaan, kunnes hän pysähtyy kokonaan juuri ennen tapahtumahorisonttia.

Ajan hidastumista vetovoiman kasvaessa nimitetään gravitaatioaikadilataatioksi. Sitä ei arkielämässä havaitse. Mustien aukkojen valtavan vetovoiman läheisyydessä aikadilataatio kuitenkin kasvaa niin suureksi, että sen huomaa.

Sentin päässä kymmenen Auringon massaisesta aukosta kello käy kuusi miljoonaa kertaa hitaammin kuin Maassa, ja tapahtumahorisontin kohdalla se pysähtyy kokonaan. Meidän tyttömme lähestyy kuitenkin paljon massiivisempaa aukkoa, joten aika kuluu paljon tätäkin hitaammin.

Paitsi pysähtyneen tyttö näyttää myös punastuneen. Tämä johtuu säteilyn venymisestä. Aukon suuri vetovoima nimittäin viruttaa neitosesta lähtevän säteilyn aallonpituutta. Tytön säteily venyy venymistään ja hän punastuu punastumistaan: mitä pidempi aallonpituus, sitä punaisempaa säteilyä. Tätä punastumista kutsutaan gravitaatiopunasiirtymäksi. (Se on eri ilmiö kuin maailmankaikkeuden laajenemisesta johtuva punasiirtymä.)

Alle sekunnissa tytöstä tulee näkymätön, sillä todella pitkää säteilyä ei pystytä havaitsemaan. Mittalaitteiden tulisi lopulta olla maailmankaikkeutta suurempia! Tyttö häviää näkyvistä, vaikka aukon vetovoiman pysäyttämä aika vangitsee hänet paikalleen.

Seisahdus sittenkin harhaa

Todellisuudessa tyttö ei jää paikalleen. Tilanne vain näyttää tältä ulkopuolisen tarkkailijan silmin.

Tyttö itse ei näet tiedä ajan hidastumisesta mitään. Hänestä aika on kulunut täysin normaalisti, sillä hänen elintoimintonsa ovat hidastuneet vastaavasti. Kun ajan tajuamiseen kuluu aikaa, hidas aika vaikuttaa normaalilta. Matka aukkoon, tapahtumahorisontin tuolle puolen, kesti neitosesta vain hetken.

Tyttö siis selvisi yhtenä kappaleena määränpäähänsä, tapahtumahorisontin tuolle puolen. Nyt hänellä on edessään ainutlaatuinen matka, jolla on vain yksi suunta: kohti singulariteettia. Aukon suuri massa takaa aikaa muutaman tunnin verran. Tyttö ehtii tutkailla ympäristöään  – se saattaa tietenkin pänniä, ettei elämyksestä pääse kertomaan kenellekään.

Putoaa heijastusten halki

Itse aukossa, tapahtumahorisontin tuolla puolen, tyttö putoaa vapaasti, kuten astronautit aluksessaan. Hän kiitää hurjaa vauhtia kohti aukon keskustaa ja singulariteettia.

Matkan jatkuessa avaruus lopulta kaareutuu niin hurjasti, että valonsäteet kääntyvät takaisin lähtöpisteeseen. Toisin sanoen aukko on gravitaatiopeili, jonne ei ole helppo kätkeä mitään.

Valonsäteiden kaareutumisen takia tyttö näkee kaiken takanaankin olevan – oikeastaan useita kuvia siitä. Jos neitosemme nyt hukkaisi ystäviensä antaman taskulampun, hän hamuaisi useasti tyhjää, sillä oikean lampun erottaa kuvajaisesta vain kokeilemalla. Tytöstä itsestäänkin muodostuu lukuisia heijastuksia.

Ympäristö vääristyy ja sinistyy

Näkymät poikkeavat muutenkin tutusta. Mustan aukon vetovoima – siis avaruuden kaarevuus – vääristää maailman. Kuva ympäristöstä keskittyy lopulta munkkirinkilän muotoisena tytön vyötärön ympärille.

Aukkoon putoava säteilykin kiihtyy. Samalla se saa lisää energiaa, jolloin sen aallonpituus lyhenee. Lyhytaaltoisuus puolestaan merkitsee sinistä väriä. Kaikki on nyt sinistynyt.

Kun näkyvä säteily lyhenee tarpeeksi, se muuttuu ensin ultraviolettisäteilyksi, sitten röntgensäteilyksi ja lopulta gammasäteilyksi. Mikään paljon energiaa sisältävä säteily ei ole ihmiselle terveellistä, joten toivotaan, että tytöllämme on hyvä suojapuku.

Tosin siitä ei ole iloa pitkään.

Vuorovesivoimat kasvavat singulariteettia kohti ja alkavat venyttää  tyttöämme. Vääntynyt, ohueksi ringiksi kutistunut sininen kosmos on neitosen viimeinen havainto ympäristöstään.

Muuttuu kvanttivaahdoksi

Singulariteetin lähellä aika-avaruus on äärettömän kaareutunut. Tämä johtaa kummallisuuksiin, kuten siihen, ettei tytön pää pistä esiin tapahtumahorisontin takaa, vaikka hän on aukon nieluun liukuessaan venynyt äärettömän pitkäksi.

Seuraavassa hetkessä tyttö hajoaa kvanttivaahdoksi. Tapahtuman tarkempaan kuvailemiseen tarvittaisiin kvanttipainovoiman teoriaa, joka tutkijoilta puuttuu.

Singulariteetti on mustan aukon suuri tuntematon. Ainoa asia, joka siitä tiedetään varmasti, on, että sen vetovoima on ääretön. Kun kvanttipainovoima joskus selviää, on kuitenkin jopa mahdollista, että kvanttivaahto pehmentää tytön kimppuun käyviä voimia ja siten lieventää hänen kohtaloaan.

Tuntemattomasta kvanttipainovoimasta riippuu myös se, muodostuuko singulariteetista uusia aika-avaruuden alueita samalla periaatteella kuin omaan universumiimme johtanut alkuräjähdys lähti liikkeelle singulariteetista 15 miljardia vuotta sitten.

Onko singulariteetti siis ovi toiseen universumiin? Ehkä tyttömme ei tuhoutunutkaan vaan päätyi rinnakkaismaailmaan?

Mahdollista on sekin, että kvanttipainovoima estää koko singulariteetin muodostumisen aukon pohjalle. Tällöin tytön jäännökset jäävät kasvattamaan mustan aukon massaa.

Leena Tähtinen on tähtitieteen dosentti, vapaa tiedetoimittaja ja lehden vakituinen avustaja.

Pyörivä aukko hankalampi

Entä jos musta aukko pyörii? Miten tyttömme silloin kävisi?

Sen, että aukko voi pyöriä, oivalsi uusi-seelantilainen Roy Kerr 1963 tutkiessaan Einsteinin yhtälöitä. Nykyään pyörivää aukkoa pidetään Schwarzschildin aukkoa uskottavampana, koska mustat aukot perivät tähdiltä kiertoliikkeen.

Myös galaksialkiot pyörivät, joten niiden keskelle muodostuvien superaukkojenkin elämä alkaa pyörteestä. Pyörivä aukko eroaa paikallaan pysyvästä muun muassa siten, että tapahtuma-horisontteja on yhden sijasta kaksi ja singulariteetti on rengasmainen ja pistemäistä ”pehmeämpi”.

Kerrin aukkoon pyrkivän tytön pitää suunnitella reittinsä huolellisesti. Jos hän lähestyy sitä satunnaisesta suunnasta, aukon ympäristön lakkaamaton liike imaisee hänet nopeasti mukaansa. Pikaisen tuhon sinetöi aukon tavanomaisen vetovoiman lisäksi sivusuuntainen vetovoima.

Tytön kannattaa pujahtaa aukkoon sen navalta. Silloin hän voi periaatteessa sujahtaa sisään rengasmaiseen singulari-teettiin ja katsella toiseen kosmokseen tai jopa siirtyä sinne.

Ongelmia saattaa kuitenkin aiheuttaa rengas-singulariteetin herkkyys. Pienikin häiriö voi muuttaa sen muotoa ja tehdä siitä epä-vakaan. Jo keskikokoinen ihminen riittää käynnistämään muodonmuutoksen, joka tuhoaa hänet.

Koska rengassingulariteetin ominaisuudet tunnetaan kvanttipainovoiman tuntemat-tomuuden vuoksi yhtä huonosti kuin pistemäisen singulariteetin, tytön kohtaloa ei voi ennustaa.

Sisältö jatkuu mainoksen alla