Massiivisen mustan aukon pyörimisvauhti saatiin mitattua

​Mitattu musta aukko on 3,5 miljardin valovuoden päässä meistä galaksissa, joka tunnetaan nimellä OJ287. Pyörimisvauhti on hiukan vajaa kolmasosa suurimmasta mahdollisesta pyörimisnopeudesta, mikä mustalla aukolla voi olla. Sen massa on 18,3 miljardia kertaa auringon massa.

– Mittauksen mahdollistaa se, että kyseisellä mustalla aukolla on pienempi seuralainen, jonka liikettä tarkkailemalla suuremman mustan aukon ominaisuudet selviävät. Mustan aukon pyöriminen aiheuttaa vääntöä kiertorataan, joka on mitattavissa, tutkimusta koordinoinut professori Mauri Valtonen kertoo.

Tämä on ensimmäinen kerta, kun millekään mustalle aukolle on mitattu sekä pyörimisnopeus että massa suuremmalla kuin yhden prosentin tarkkuudella. Aiemmissa mittauksissa epätarkkuus on aina ylittänyt 10 %. Tutkimustulokset julkaistiin 10.3. tiedelehdessä The Astrophysical Journal Letters.

– Näillä tiedoilla on enemmänkin kuin kuriositeettiarvo: niistä voidaan päätellä, onko Einsteinin sata vuotta sitten esittämä painovoimateoria, nimeltään yleinen suhteellisuusteoria, todella ainoa oikea tapa kuvata painovoimaa, Valtonen sanoo.

Musta-aukkopari lähettää gravitaatioaaltoja

Kahden mustan aukon sulautumisessa syntynyt painovoima-aalto havaittiin hiljattain ensimmäistä kertaa amerikkalaisilla maanpäällisillä mittalaitteilla. Musta-aukkopari OJ287 lähettää myös painovoima-aaltoja, ja Turun yliopiston tutkimusryhmä on mitannut matkaan lähteneiden aaltojen voimakkuutta; mittaukset sopivat yhteen Einsteinin teorian kanssa 2 %:n tarkkuudella. Perillä maanpäällä näitä aaltoja ei ole vielä havaittu, koska niiden värähtely tapahtuu liian hitaasti nykyisille mittalaitteille.

– Muutaman vuoden päästä Etelä-Afrikan, Australian ja Intian kehittämät laitteet pääsevät mittaamaan myös OJ287:n lähettämiä avaruuden värähtelyjä. Siihen asti meidän on tyytyminen valo- ja röntgensäteilysignaaleihin, joita tässä tutkimuksessa on käytetty hyväksi, Valtonen kertoo.

Einstein yleisen suhteellisuusteorian syntymäpäiväksi on usein sanottu 18. marraskuuta 1915.

– Tarkalleen sata vuotta myöhemmin OJ287:ssä alkoi säteilypurkaus, joka on johtanut uuteen yleisen suhteellisuusteorian varmistukseen. Siten OJ287:n purkaus ja gravitaatioaaltojen ensimmäinen mittaus 14.9.2015 olivat sopivia syntymäpäivälahjoja Einsteinin satavuotiaalle painovoimateorialle, Valtonen myhäilee.

Laaja kansainvälinen yhteistyö kantaa hedelmää

Nyt mitattu musta-aukkopari keksittiin Turun yliopiston fysiikan ja tähtitieteen laitoksen Tuorlan observatorion tutkimuksissa jo 1980-luvun alkupuolella, mutta kesti yli kolmekymmentä vuotta selvittää sen tarkka liikerata.

Vuosikymmenten aikana tässä observatorion keskeisessä tutkimusaiheessa ovat olleet tärkeässä roolissa mm. Aimo Sillanpää, Harry Lehto ja Seppo Mikkola.

Tämänkertaisessa havaintokampanjassa näytteli ratkaisevaa osaa yhteispohjoismainen Nordic Optical Telescope (NOT) Kanarian saarilla, josta Kari Nilsson (Suomen ESO-keskus) sai runsaasti havaintoaikaa.  NOT:n henkilökuntaan kuuluva Tapio Pursimo, sekä Tuorlassa etäpäätteen kautta Leo Takalo ja Elina Lindfors tekivät myös havaintoja Kanarialla. Vilppu Piirola (Suomen ESO-keskus) ja Andrei Berdjugin johtivat Havaijilla sijaitsevalla teleskoopilla tehtyjä havaintoja.

Mukana oli myös koko joukko Turun yliopiston jatko-opiskelijoita. Professori Mauri Valtosen koordinoimaan mittauskampanjaan osallistui kaiken kaikkiaan lähes sata tutkijaa eri puolilta maailmaa: Puolan Jagiellonian University ja Mt.Suhoran observatorio Krakovassa, missä Staszek Zola koordinoi optisten havaintojen yhteistyötä, University of Zielona Gora sekä Nicolaus Copernicus University Torunissa, Italian Avaruusjärjestö (ASI) Roomassa ja Instituto Nazionale di Fisica Nucleare, Perugia, missä Stefano Ciprini (aiemmin Turun yliopistossa) koordinoi avaruudesta tehtyjä havaintoja NASA:n Swift-teleskoopilla, sekä Rooman observatorio, Tata Institute of Fundamental Research Intiassa, missä Achamveedu Gopakumar on projektin keskeinen teoreettinen tutkija, Euroopan Avaruusjärjestön ESA:n instituutti (ESAC) Madridissa, missä Mark Kidger koordinoi joukkoa espanjalaisia ja brittiläisiä havaitsijoita, Brittiläinen Isaac Newton Group of Telescopes Kanarian saarilla, Japanin Osaka Kyoiku University sekä Tohoku University, jolla on teleskooppi Havaijilla, Ateenan kansallinen yliopisto Kreikassa, Brittiläinen Liverpoolin yliopisto, jolla on myös oma teleskooppi Kanarian saarilla, Physical Research Laboratory Ahmedabadissa ja Aryabhatta Research Institute Nainitalissa Intiassa, Appalachian State University ja Pohjois-Carolinan yliopisto Pohjois-Carolinassa, joka operoi teleskooppia Chilessä, Delawaren yliopisto, Kalifornian yliopisto Berkeleyssä, Alabaman yliopisto ja Florida International University, joilla on myös teleskooppi Chilessä, N/F observatorio Uudessa Meksikossa, Coloradon yliopisto, Instituto Nacional de Astrofisica, Optica y Electronica, Puebla, Meksiko, Tsekin tiedeakatemia, Helsingin yliopiston fysiikan laitos, Korean astronomian ja avaruustutkimuksen instituutti Daejonissa, Bulgarian kansallinen observatorio, Ataturk University sekä Adiyaman University Turkissa, Jenan observatorio, Max-Planck Institute, Garching, München teknillinen korkeakoulu sekä Kiepenheuer Institute Freiburgissa Saksassa.

Tutkimusartikkeli:

“Primary Black Hold Spin in OJ 287 as Determined by the General Relativity Centenary Flare.” The Astrophysical Journal Letters, Volume 819,  Number 2.
http://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8205/819/2/L37  

JM
Nostokuva: Hubble ESA