Kansainvälinen tutkimusryhmä osoitti Stephen Hawkingin mustien aukkojen teoreeman päteväksi. Toistaiseksi kaikki hänen työnsä ovat olleet kokeellisen varmennuksen tavoittamattomissa.
Stephen Hawking työskenteli koko ikänsä mustien aukkojen parissa, ja johti tutkimuksistaan monia niihin liittyviä teoreemoja. Kyseessä olevan teoreeman mukaan mustat aukot ovat täysin sileitä ja akselisymmetrisiä pyörimisakselinsa suhteen. Jos ne eivät toteuttaisi tätä ehtoa, ne eivät todellisuudessa olisikaan Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mustia aukkoja.
– Mustan aukon sileyttä voidaan tutkia panemalla satelliitti kiertämään sitä. Kaikki mahdolliset epätasaisuudet ja poikkeamat symmetriasta muuttavat satelliitin rataa. Samalla menetelmällä tutkitaan mm. maapallon muotoa. Mitä enemmän maa poikkeaa litistyneestä pallosta, sitä enemmän satelliitin rata muuttuu. Samoin mustan aukon tapauksessa, professori Mauri Valtonen Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitokselta selittää.
Tarkastelussa voimakkaat räjähdykset mustien aukkojen ympärillä
Tunnetut ja epäillyt mustat aukot ovat niin kaukana maasta, ettei niiden lähelle voida lähettää tutkimusluotainta. Nyt julkaistussa tutkimuksessa käytetään mustaa aukkoa OJ287 kiertävää luonnollista satelliittia, jonka olemassaolo kiertämässä mustaa aukkoa havaittiin Turun yliopistossa 1980-luvulla. Satelliitti on siitä asti ollut Tuorlan observatorion tärkeimpiä tutkimusaiheita. Tutkimusprojekteja ovat johtaneet Aimo Sillanpää, Leo Takalo, Kari Nilsson ja Mauri Valtonen, joka on yksi tuoreen tutkimusartikkelin kirjoittajista.
Satelliitin rataa seurataan havaitsemalla suuria räjähdyksiä, joita syntyy, kun satelliitti iskeytyy mustaa aukkoa ympäröivään ohueen kaasukerrokseen. Räjähdyksiä tapahtuu kaksi kappaletta jokaista 12 vuoden kiertojaksoa kohti. Radan tarkkaan määrittämiseen tarvitaan tiedot ainakin 10 aikaisemmasta räjähdyksestä.
– Nämä Ilmiöt ovat valtavia, voimakkaimpia avaruudessa koskaan havaittuja valonleimauksia. Ne vastaavat kymmenen biljoonan auringon yhtäkkistä syttymistä vain yhden päivän aikana. Tästä johtuen räjähdyksiä on sattumalta tullut kuvatuksi valokuvauslevyille jo vuodesta 1888 lähtien, Valtonen selittää.
Tuhansien satunnaiskuvien analyysin jälkeen selvisi, mitä systematiikkaa räjähdysajat noudattavat ja miten niistä lasketaan satelliitin rata. Ennen viime vuoden elokuuta käytettävissä oli jo tiedot 24 aikaisemmasta räjähdyksestä. Seuraavaa räjähdys olisi odotettavissa vuoden 2019 heinäkuussa, 30. ja 31. päivien välisenä yönä, keskiyöllä Suomen aikaa, neljän tunnin tarkkuudella, jos musta aukko olisi täysin sileä ja symmetrinen, kuten Hawking väittää. Pienikin poikkeama sileydestä veisi räjähdyksen aikavälin ulkopuolelle.
Tutkimusvälineenä NASAn Spitzer-teleskooppi
Heinäkuussa musta aukko OJ287 on niin lähellä aurinkoa, että sen valo hukkuu etualan auringon valoon. Kohdetta tulisi mitata jossain kaukana maapallosta, josta on aivan eri näkökulma mustaan aukkoon.
Ratkaisuna ongelmaan tutkimusryhmä käytti NASAn Spitzer-teleskooppia, jota operoi Kalifornian teknillinen korkeakoulu (CalTech). Räjähdys havaittiin satelliitin avulla Seppo Laineen johdolla. Tarkan ennusteen räjähdysajalle laski Lankeswar Dey, joka on viime vuosina tehnyt tutkimusta myös Turun yliopistossa. Räjähdysten mallinnus perustuu Turun yliopiston Harry Lehdon laskuihin. Havaintojen perusteella pääteltiin, että räjähdys tapahtui vain 2.5 tunnin päässä lasketusta ajasta, mikä todistaa Hawkingin mustan aukon teoreeman päteväksi. Samalla se osoitti lopullisesti oikeaksi Aimo Sillanpään jo väitöskirjassaan 1988 esittämän ajatuksen, että OJ287 koostuu kahdesta toisiaan kiertävästä mustasta aukosta.
Satelliittimittauksia jatkettiin Spitzerin avulla, kunnes OJ287 tuli uudestaan näkyviin maasta käsin katsottuna syyskuun alussa. Tällöin Tapio Pursimo käytti Turun yliopiston ja Aarhusin yliopiston 2.5 metrin NOT-teleskooppia kohteen mittaamiseen ja varmisti, että satelliittihavainnot ja maanpäälliset havainnot voidaan yhdistää toisiinsa.
– Tutkimusten perusteella voidaan sanoa, että mustat aukot ovat ominaisuuksiltaan juuri sellaisia kuin Stephen Hawkingin laskuissa ja muissa vastaavissa teorioissa on oletettu. Tutkimusten tulokset myös myös osoittavat, että Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria on oikea teoria mustien aukkojen tutkimukseen, asia josta tähän asti on ollut eri mielipiteitä, Valtonen kiteyttää.
Tutkimus on julkaistu huhtikuun lopussa Astrophysical Journal Letters -lehdessä.
Uutisen pääkuva: Robert Hurt / Caltech
Tutkimustulosta havainnollistava video: Robert Hurt / Caltech
Suurempaa mustaa aukkoa kiertää kaasua kiekon muodossa. Toinen musta aukko kiertää suurempaa kiekon tason ulkopuolella. Kun pienempi musta aukko osuu kiekkoon, syntyy valtava leimahdus.
