Nobel-palkinto ja ensimmäinen kuva mustasta aukosta

Olet varmaan kuullut uutisen ensimmäisestä mustan aukon kuvasta, jonka tiedemies on julkaissut. Kuva oli hämmästyttävä uutinen paitsi tähtitieteen alalle myös koko maailmalle. Tämä kuva oli ensimmäinen askel kohti uutta tiedon ovea. Maailmankaikkeus valaistuu kerta kerralta enemmän uuden tiedon myötä, ja sen ansiosta pystymme ymmärtämään paremmin kaikkia planeettamme ulkopuolella olevia mysteerejä.

Näimme hiljattain, kuinka vuoden 2020 Nobel-palkinto myönnettiin kahdelletoista palkinnonsaajalle ja kuinka yksi heistä edisti merkittävästi ihmiskuntaa tutkimuksillaan ja löydöksillään. He ovat kaikki hämmästyttäviä tutkijoita, ja haluaisimme puhua jokaisesta heistä täällä, mutta tänään puhumme fysiikan Nobel-palkinnon saaneiden Roger Penrosen, Reinhard Genzelin ja Andrea Ghezin työstä, jotta voimme paremmin selittää ja ymmärtää ensimmäisen mustan aukon kuvan kontekstin.

Nobel-palkinnon virallisen verkkosivuston mukaan palkinnon saajat saivat tunnustuksen "siitä, että mustien aukkojen muodostuminen on yleisen suhteellisuusteorian vankka ennuste" ja "galaksimme keskellä olevan supermassiivisen kompaktin kohteen löytämisestä". Penrose osoitti vaikuttavien matemaattisten menetelmien avulla, että mustat aukot ovat yhteydessä Einsteinin suhteellisuusteoriaan, kun taas Reinhard Genzelin ja Andrea Ghezin työ todisti kiistattomasti, että Linnunratagalaksimme keskellä on todellakin musta aukko, joka tunnetaan nykyään nimellä Sagittarius A*.

Jotta voisimme täysin ymmärtää teeman, meidän on tiedettävä muutamia peruskäsitteitä mustista aukoista, kuten "Mikä on musta aukko?", "Mistä ne on tehty?", "Mistä ne on tehty?", "Mistä ne on tehty?", "Mistä ne on tehty?" ja "Mistä ne on tehty?". Mistä voimme löytää sellaisen?"

Ensimmäinen asia, joka meidän on tiedettävä, on käsite, jota käytetään paljon monissa tähtitieteen alan aiheissa, eli käsite "mitä on avaruusaika". Avaruusaika on neliulotteinen moniulotteinen avaruus, jossa kolme ulottuvuutta on avaruutta ja yksi ulottuvuus aikaa, koordinaatistossa olisi (x,y,z,t). Mielenkiintoinen tosiasia on, että yksittäistä pistettä tässä koordinaatistossa kutsutaan tapahtumaksi. Näin voimme saada mustan aukon määritelmän.

Musta aukko on avaruusajan alue jossa painovoima on niin, mutta niin, mutta niin, mutta niin vahva, että mikään kaasu, pöly, hiukkanen tai edes valo ei pääse irti siitä! Ne kaikki vetäytyvät VAHVASTI painovoiman kautta mustaan aukkoon ja katoavat, menevät paikkaan, jota tiedemiehet eivät tunne vieläkään. Mielenkiintoista tässä on se, että jos edes valo ei pääse irti tästä voimasta, on mahdotonta nähdä mustaa aukkoa tai edes tietää, missä sellainen on. Se on kuin yrittäisi nähdä mustaa esinettä mustalla taustalla, sitä ei voi nähdä, tai jos näkee, se on hyvin vaikeaa. Miten tiedemiehet siis tekevät sen?

Teoriassa mustia aukkoja syntyy yleensä silloin, kun erittäin massiivinen, paljon aurinkoa raskaampi tähti romahtaa elämänsä lopussa. Massa on hyvin tärkeä tekijä, joka ratkaisee, muuttuuko kuollut tähti mustaksi aukoksi vai neutronitähdeksi. Tämä supermassatähti puristuu painovoiman vuoksi hyvin pieneen tilaan, ja mustan aukon muodostamiseksi tämä kompakti massa voi yleisen suhteellisuusteorian mukaan muuttaa avaruusaikaa.

Tämä avaruusajan muodonmuutos luo gravitaatiokiihtyvyysvoiman, joka osoittaa tiheän massakappaleen keskipisteeseen. Tämän voiman vaikutuksesta mustan aukon lähellä olevat kaasut ja hiukkaset alkavat saada pyörimisnopeutta, jolloin ne vetäytyvät väkisin mustaan aukkoon. Tätä ilmiötä kutsutaan Akkretiointikiekko.

Tämä gravitaatio- ja kitkavoima saa kaikki kaasut ja sähkövaraukselliset hiukkaset aiheuttamaan lämpötilan nousun lisäksi myös sähkömagneettista säteilyä eri taajuuksilla, kuten infrapuna- tai röntgensäteilyä. Tämän hämmästyttävän ominaisuuden ansiosta musta aukko voidaan "nähdä". Tämä on hyvä asia, mutta se ei helpota tiedemiehen työtä 100prosenttisesti, sillä teillä on taajuus, jota voitte seurata, mutta ette silti voi sanoa "katso, musta aukko tuolla taivaalla". Emme voi kohdella mustan aukon valoa samalla tavalla kuin tavallista tähteä; ne ovat hyvin erilaisia. Hyvä uutinen on kuitenkin se, että alussa ollut musta kohde on nyt hieman valaistu mustassa taustassa.

Ensimmäisessä kuvassa mustasta aukosta näkyy akkrektiokiekko. Musta aukko on tässä tapauksessa 6,5miljoonaa kertaa Aurinkoamme raskaampi, ja se sijaitsee Messier 87 -galaksissa, 53miljoonan valovuoden päässä Maasta. Kuva oli mahdollinen kahdeksan eri teleskoopin ympäri maailmaa, Event Horizon Telescope -teleskoopin ja joidenkin muiden avaruusteleskooppien lähetysten aikatyön avulla, yhdessä ne kaappasivat samaan aikaan dataa M87:stä huhtikuussa 2017. Kukin niistä kaappasi eri tietoja mustasta aukosta, ja sitten kaikki koottiin yhteen ja muodostettiin kuva. Se voi kuulostaa helpolta ja yksivaiheiselta asialta, mutta tutkijan oli tehtävä kovasti töitä ymmärtääkseen täysin kaikki tiedot ja sen, miten niitä käsitellään, mitä algoritmia käytetään ja miten sitä käytetään.

Vuonna 1997 julkaistussa artikkelissa Genzel osoitti, että viiden eri vuoden, vuosien 1992-1996, kerätyt tiedot kuvaavat nopeasti liikkuvia tähtiä Sgr A*:n välittömässä läheisyydessä ja että näiden tähtien keskellä on erittäin suuri ja raskas tumma massa. "Tässä tiheydessä ei ole mitään vakaata normaalien tähtien, tähtijäänteiden tai alempien tähtien muodostamaa kokoonpanoa", sanotaan artikkelissa (GENZEL et al., 1997). Johtopäätös: "Linnunradan ytimessä täytyy olla massiivinen musta aukko".

Toisessa Ghezin vuonna 1998 julkaisemassa artikkelissa havaittiin kaksi vuotta kestäneessä tutkimuksessa sama kuvio liikkuvien alkupisteiden kanssa samassa paikassa, kuten artikkelissa sanotaan: "sekä tähtien pintatiheyden että nopeusdispersion huiput ovat yhdenmukaisia mustan aukon ehdokkaan (tuolloin vielä ehdokkaan) Sgr A* sijainnin kanssa" (GHEZ et al., 1998). Tutkimuksessa käytetyt kuvat saatiin lähi-infrapuna-aallonpituuksilla, jollaista taajuutta akkrektiokiekko säteilee.

Tässä on lyhyt luettelo näistä artikkeleista:

GENZEL, R. et al. On the nature of the dark mass in the centre of the Milky Way. Kuninkaallisen tähtitieteellisen seuran kuukausittaiset tiedotteet (Monthly Notices of the Royal Astronomical Society), v. 291, n. 1, s. 219-234, 11 out. 1997.

GHEZ, A. M. et al. High Proper-Motion Stars in the Vicinity of Sagittarius A\ast: Evidence for a Supermassive Black Hole at Our Center of the Galaxy. The Astrophysical Journal, v. 509, n. 2, s. 678-686, joulukuu 1998.

GHEZ, A. M. et al. Measuring Distance and Properties of the Milky Way's Central Supermassive Black Hole with Stellar Orbits. The Astrophysical Journal, v. 689, n. 2, s. 1044-1062, joulukuu 2008.

Eikö maailmankaikkeus olekin niin kaunis?

Kaikki tämä on jo uskomatonta, mutta vielä on paljon enemmän tulossa, kuten fysiikan Nobel-komitean puheenjohtaja David Haviland sanoi: "...nämä eksoottiset esineet herättävät vielä monia kysymyksiä, jotka vaativat vastauksia ja motivoivat tulevaa tutkimusta". Ei vain kysymyksiä niiden sisäisestä rakenteesta, vaan myös kysymyksiä siitä, miten testata painovoimateoriaamme mustan aukon välittömässä läheisyydessä vallitsevissa äärimmäisissä olosuhteissa". Ja me olemme täällä, odotamme kuitenkin innolla seuraavaa taukoa! Sillä välin kiitämme tämänvuotisia palkinnon saajia. Roger Penrose, Reinhard Genzel ja Andrea Ghez, olet mahtava!

Jos haluat lukea myös Roger Penrosen työstä, tässä on muutama artikkeli, joissa kuvataan hänen työtään. Yksi niistä julkaistiin yhdessä legendaarisen Stephen Hawking. Voit tutustua näihin artikkeleihin myös täällä:

HAWKING, S.; PENROSE, R. The Nature of Space and Time. American Journal of Physics, v. 65, n. 7, s. 676-676, 1. heinäkuuta 1997.

EHLERS, J.; RINDLER, W.; PENROSE, R. Energian säilyminen relativistisen mekaniikan perustana. II. American Journal of Physics, v. 33, n. 12, s. 995-997, 1 dez. 1965.

NEWMAN, E.; PENROSE, R. Lähestymistapa gravitaatiosäteilyyn spin-kertoimien menetelmällä. Journal of Mathematical Physics, v. 3, n. 3, s. 566-578, 1 maio 1962.

PENROSE, R.; RINDLER, W. Energian säilyminen relativistisen mekaniikan perustana. American Journal of Physics, v. 33, n. 1, s. 55-59, 1.1.1965.

Jos sinulla on tulossa projekti tai esitys jostain tähtitieteen alasta, voit käyttää Mind the Graph:tä tehostaaksesi sisältöäsi tehokkaammaksi, didaktisemmaksi ja hauskemmaksi! Tiedämme, että on vaikea saada hyviä kuvia aiheesta, joten olemme täällä auttamassa sinua siinä, voit tarkistaa tähtitieteeseen liittyvän sisältömme osoitteesta täällä.

Löydät Mind the Graph:stä kaiken tarvitsemasi, ja jos et löydä, me voimme auttaa sinua!

Parannetaan yhdessä tiedeviestintää! Oletko valmis kokeilemaan?

Nobel-palkinto ja ensimmäinen kuva mustasta aukosta

Tilaa uutiskirjeemme

Fabricio Pamplona