lauantai 13. huhtikuuta 2019

Supermassiivinen musta aukko valokuvassa


Maapallon kokoinen radioteleskooppi tarvitaan tuottamaan riittävästi tarkkaa dataa, jotta supermassiivisesta mustasta aukosta galaksin M87 ytimessä saadaan luotua kuva. Kuvan erotuskyky on 20 µas ja siinä näkyy mustan aukon ympärillä oleva hehkuva, 10 miljardin K lämpötilainen plasmakiekko, joka tunnetaan kertymäkiekkona.

Kuvassa on galaksin M87 keskustassa oleva musta aukko. Kuva ESO/Event Horizon Telescope Collaboration.


Kyseinen teleskooppi on nimetty Tapahtumahorisontti teleskoopiksi, lyhyemmin EHT (Event Horizon Telescope) ja se on koottu kahdeksasta eri radio-observatoriosta eri puolilla maapalloa. Jotta teleskoopit toimisivat saumattomasta yhdessä, tarvitaan valtavasti työtä, erikoistekniikkaa kuten atomikelloja, rahoitusta 28 miljoonan euron verran ja viimekädessä nerokasta ajattelua ja kovaa työtä.

Monen teleskoopin käytön idea on toimia yhdessä interferometrinä. Projektiin osallistunut ALMA-observatorio (Atacama Large Millimetre Array) on itsekin tätä samaa menetelmää käyttävä observatorio, joten muiden observatorioiden liittäminen samaan verkkoon voisi ajatella olevan helppo juttu. Aivan näin yksinkertainen asia ei kuitenkaan ole!

Yksi asioita mutkistava tekijä on kerätyn datan siirtäminen supertietokoneen käsittelyyn. Internetin yli tapahtuu hyvin paljon tiedon siirtoa, mutta tässä tapauksessa datamäärän suuruudesta [1] johtuen tutkijat eivät voineet tähän turvautua. Ainoa tapa millä data saadaan käsiteltäväksi, on sen tallentaminen kovalevyille ja niiden kuljettaminen fyysisesti käsittelykeskuksiin [2].

Galaksi M87 näkyvässä valossa otettussa kuvassa. Kuva ESO.


Mittaustietojen oheen tarvitaan riittävän tarkka aikaleima, jotta datan yhdistäminen olisi mahdollista. Aikaleima saatiin aikaiseksi keskenään synkronoiduilla atomikelloilla. Ennen varsinaista datan yhdistämistä mittaustiedot joudutaan vielä korreloimaan, sillä jokaisessa observatoriossa kohteen erilainen korkeus aiheuttaa oman eroavaisuuden havaittuun dataan.

Observatorioiden [3] fyysinen sijainti tuotti omat vaikeutensa. Etelämantereella sijaitsevan observatorion tallentama data saatiin toimitettua käsittelykeskukseen yli puolen vuoden odottelun jälkeen, sillä lentoliikennettä Etelämantereelle ei ole eteläisen pallonpuoliskon talven aikana.

Datan kokoaminen kahdesta valitusta kohteesta (Linnunradan keskustan Sagitarius A* ja galaksin M87 [4] Neitsyen tähdistössä) näkyvyys kaikille observatoriolle määräsi mahdolliset havaintoajat. Tämän lisäksi sääolosuhteiden piti olla hyvät, sillä ilmakehän häiriöt heikensivät mittausdatan tarkkuutta tai jopa voivat estää koko mittauksen. Tutkijoilla oli kuitenkin onni matkassa ja keväällä 2017 avautui sopiva havaintoikkuna [5], jolloin havaintoja pystyttiin tekemään jopa viitenä vuorokautena peräkkäin.

Hubble avasuusteleskoopilla otettu kuva M87:n mustan aukon läheisyydestä lähtevästä suihkusta. Kuva NAS/STScI/AURA.


Datan käsittelyvaiheen jälkeen ensimmäinen kuva mustan aukon kertymäkiekosta oli valmis julkaistavaksi. Se tehtiin keskiviikkona 10. huhtikuuta 2019. Kohteena oli ellipsigalaksi M87 ytimessä sijaitseva supermassiivinen musta aukko, jonka massaksi arvioidaan noin 6,5 miljardiksi auringonmassaksi. Koko galaksin massaksi arvioidaan noin 2,4 biljoonaa (2.4 ± 0.6) × 1012) auringonmassaa. Tapahtumahorisontin säde on noin 130 au [6], joten se ulottuisi omassa Aurinkokunnassamme kauas Kuiperinvyöhön. Kertymäkiekon halkaisija on noin 25 000 au (säde 12 500 au). Kuvissa näkyvä keskustan tumma alue on ns. musta aukon varjo ja sen säde on noin 2,6× tapahtumahorisontin säteeseen verrattuna.

Hyvin mielenkiintoiseksi asian tekee se, että ennen todellisen datan käsittelyä, kohteesta tehtiin useita erilaisia simulointeja. Yllättävää on se, kuinka hyvin simuloinnit jo varhaisessa vaiheessa osuvat yksiin todella havaitun kanssa.

Kuvia katsellessa kiinnittyy huomio kirkkauseroihin kiekon eri osissa. Kirkkausero johtuu voimakkaasta Doppler-ilmiöstä, sillä plasman nopeus on hyvin lähellä valonnopeutta kertymäkiekon sisäosassa.

Nyt julkaistiin kuva vain M87 galaksin mustasta aukosta. Linnunradan mustan aukon kuvan luominen osoittautui isompaa mustaa aukkoa haastavammaksi ja tutkijoiden täytyy vielä kehitellä datan käsittelyä, ennen kuin kuvan luominen onnistuu. Kun Linnunradan musta aukon kuvan luominen on onnistunut, niin uskoakseni myös tulemme näkemään uudistuneen kuvan M87 mustasta aukosta.

Mustien aukkojen lyhyt historia

Vuonna 1784 englantilainen astronomi John Michell päätyi tutkimuksissaan ajatukseen, että jos tähdellä olisi riittävästi massaa, niin valokaan ei pääsisi poistumaan siitä. Hän nimitti tällaista tähteä ”pimeäksi tähdeksi”.

Seuraava askel mustien aukkojen historiassa otettiin Albert Einsteinin julkaistessa gravitaatioteoriansa (=Suhteellisuusteoria) vuonna 1915. Heti tämän jälkeen, vuonna 1916, Karl Schwarzschild, Johannes Droste ja opiskelija Hendrik Lorentz toisistaan tietämättä päätyi tulokseen, että Einsteinin yhtälöt mahdollistavat matemaattisen singulariteetin (=musta aukko) olemassa olon, jolle ei voi määrittää kokoa ja jonka massa voi olla kuinka suuri tahansa.

Seuraavalla vuosikymmenillä kävi ilmeiseksi, että jos tähdellä olisi riittävästi massaa, se voisi luhistua mustaksi aukoksi tai niin kuin silloin sitä kutsuttiin ”jäätyneeksi tähdeksi”. Vuonna 1939 Robert Oppenheimer & al. päättelivät, että neutronitähti, joka ylittää massaltaan Tolman – Oppeheimer- Volkoffin rajan luhistuu mustaksi aukoksi. Nykyisin havaintoihin perustuen tämä TOV-raja on noin 2,17 auringonmassaa. Tutkijakolmikko myös tulkitsivat, että Schwarzschild’in säteen etäisyydellä aika näytti pysähtyvän. Tästä syystä myös nimitystä ”jäätynyt tähti” käytettiin kuvaamaan mustia aukkoja.

Nimityksen Tapahtuma horisontti tuli käyttöön vuonna 1958 kun David Finkelstein määritteli Schwarzschild’in pinnan yksisuuntaiseksi, eikä valo pääse poistumaan sen sisäpuolelta.
Seuraava edistysaskel mustien aukkojen tutkimuksissa tapahtui vuonna 1963, kun Roy Kerr löysi tarkan matemaattisen ratkaisun pyörivälle mustalle aukolle. Pyörivän aukon tapahtumahorisontin ulkopuolelle syntyy kurpitsan muotoinen ergosfääri, jossa aika-avaruus kiertyy musta aukon mukana. Pari vuotta myöhemmin tutkija Kerr ja Ezra Newman loivat teorian mustien aukkojen massasta, kulmamomentista ja sähkövarauksesta (jotka ovat säilyviä suureita).

Seuraavat vuodet olivat mustien aukkojen kiihkeää tutkimuskautta. Vuonna 1974 Stephen Hawking osoitti kvanttikenttäteorian mahdollistavan mustien aukkojen säteilevän termistä säteilyä. Säteilyn voimakkuus oli kääntäen verrannollinen musta aukon massaan.

Teoria on tulkittava siten, että suurimassaisen mustan aukon lämpötila on alempi ja pienempi massaisen korkeampi: esimerkiksi Auringon massaisen musta aukon lämpötila olisi noin 60 nK kun taas Kuun massaisen musta aukon lämpötila olisi noin 2,7 K. Edelleen tästä vedetty päätelmä osoittaa, että kosminen mikroaaltotaustasäteily kasvattaa mustien aukkojen massaa mutta hyvin pienet aukot sen sijaan menettävät sitä. Lopulta noin vuoren massaiset mustat aukot menettävät massaansa niin nopeasti, että ennen kokonaan katoamistaan ne loistaisivat noin 200× kirkkaammin kuin Aurinko.

Huomautukset

[1] jokaisen observatorion tuottama data oli määrältään noin 5000 teratavua. Kaiken kaikkiaan dataa kerättiin useita petatavuja ja yhdellä havaintokerralla noin 350 Ttavua. (1 Teratavu on 1012 tavua tai 1015 bittiä, yleisesti kotioloissa käytettyjen kiintolevyjen tallennuskapasiteetti on 1 T bittiä.)

[2] Max Planckin instituutti Bonnissa (Saksa) ja MIT-Haystackin observatorio Westfordissa Massachusetissa.

[3] Havaintoihin osallistuneet observatoriot ovat: ALMA, APEX, IRAM-30meter telescope, James Clerk Maxwell telescope, Large Millimeter Telescope Alfonso Serrano, Submillimetre Array, Submillimetre Telescope ja South Pole Telescope. Tutkimukseen on osallistunut 59 tutkimuslaitosta ja yli 200 tutkijaa.

[4] Galaksin etäisyys on noin 55 miljoonaa valovuotta.

[5] Huhtikuun 5. – 10. päivinä.

[6] Tapahtumahorisontin (Schwarzschildin) säde lasketaan kaavalla rs = (2GM) ÷ c2. Aikaisemmin M87 musta aukon massaksi ilmoitettiin 3,5 –6,6 miljardia auringonmassaa, mutta nyt tämän uutisoinnin yhteydessä massaksi yleisesti ilmoitetaan noin 6,5 miljardia, joka on EHT-tutkimusryhmän käyttämä. Näillä luvuilla laskettuna tapahtumahorisontin säteeksi saadaan noin 130 au.

tiistai 9. huhtikuuta 2019

Kirjauutuus: Lyhyet vastaukset suuriin kysymyksiin


Stephen Hawking
Toimittanut John Murray
Lyhyet vastaukset suuriin kysymyksiin
WSOY 2019
ISBN 978-951-0-43748-3
nidottu 249 sivua
Suomentanut Markus Hotakainen
Suomalaisen laitoksen esipuhe Esko Valtaoja
Alkusanta Eddie Redmayne
Johdanto Kip S. Thorne
Jälkisanat Lucy Hawking



Stephen Hawkingin viimeiseksi jäänyt kirja Lyhyet vastaukset suuriin kysymyksiin oli vielä työnalla hänen kuollessaan. Kirjan tekivät valmiiksi Hawkingin tutkijatoverit ja perikunta.

Kirjassa käsitellään kymmentä eri aihetta, joita Hawking piti suurina kysymyksinä. Monet näistä aiheista ovat tuttuja monestakin eri yhteydestä, mutta on mielenkiintoista lukea niistä Hawkingin vastaukset kysymyksiin. Ennen kysymysosiota, kirjassa käsitellään Hawkingin elämää hänen itsensä kertomana. Osuus ei ole pitkä, vain 22 sivua, joten hyvin katkelmalliseksi se jää. Toisaalta, kirjaa ei ole tarkoitettukaan omaelämäkerraksi, joten laajempi elämäkerrallinen osuus olisi vain muuttanut kirjan luonnetta tarpeettomasti.

Kirjassa siis käsitellään kymmentä kysymystä, joihin Hawkin haluaa vastata ja kertoa oman näkemyksensä. Kysymykset ovat hyvin valittuja mutta itse en olisi kirjaan ottanut kysymyksistä järjestyksessä ensimmäistä: Onko jumala olemassa? Kysymys poikkeaa niin paljon kirjan muiden kysymysten aihepiiristä, että se tuntuu jotenkin keinotekoiselta ja irralliselta tässä yhteydessä. Hawking oli tietääkseni ateisti ja tämän näkemyksen hän tuo esiin tekstissään. Jakson lopulla hän paljastaa vastauksen pohdiskeltuaan ensin kysymystä monelta taholta.

Kirjan takakanteen on listattu kaikki käsitellyt kysymykset. Niitä on sen verran runsaasti, että niiden kaikkien käsitteleminen tässä yhteydessä ei ole mahdollista, mutta muutamalla avainsanalla yritän luonnehtia aihepiiriä. Kirjassa käsitellään kaiken alkua, älyllisen elämän olemassa oloa, tulevaisuuden ennustamista, mustan aukon rakennetta, aikamatkustusta, ihmiskunnan selviäminen, avaruuden asuttaminen, tekoälyä ja tulevaisuuden muokkaamista.

Poimin kuitenkin musta aukot sellaiseksi kysymykseksi, joka on tietysti ajankohtaakin liittyen mielenkiintoisin käsitellyistä aiheista. Tämä myös sen vuoksi, että Stephen Hawking on ansainnut kannuksensa nimenomaan mustien aukkojen tutkijana. Tämän vain 19 sivua pitkän osan Hawking aloittaa vuodesta 1783, jolloin John Michell päätteli, että maailmankaikkeudessa voisi olla tähtiä, jotka ovat niin massiivisia, että valokaan ei niistä pääsisi pakenemaan. Michell kutsui näitä tähtiä pimeiksi tähdiksi. Seuraava askel aiheen käsittelyssä on tietysti, tai lähes itseoikeutetusti Albert Einstein ja hänen gravitaatioteoriansa vuodelta 1915.

Seuraava askel mustien aukkojen historiassa oli vuosi 1930 ja Subrahmanyan Chandrasekhar, joka osoitti, että valkoisen kääpiön suurin mahdollinen massa on 1,4 auringonmassaa. Sitä massiivisemmat tähdet romahtavat lopulta neutronitähdiksi tai vielä massiivisemmat mustiksi aukoiksi. Mustien aukkojen synnyn neutronitähtien luhistumisella päätteli Robert Oppenheimer yhdessä George Volkoffin ja Hartland Snyderin kanssa vuonna 1939. Monien muidenkin tutkijoiden nimet vilahtavat Hawkingin tekstissä ja lopulta hän pääsee omaan osuuteensa mustien aukkojen tutkimuksessa.

Kysymykset vastauksineen ovat mielenkiintoisia ja uskon aiheen ja aiheet kiinnostavan monia, ei vain tähtitieteestä tai kosmologiasta kiinnostuneiden vaan kaikkia tiedekirjojen ystäviä hyvin monialaisesti. Kirjaa voin myös suositella laajentamaan itse kunkin yleistietämystä tieteistä ja tietysti heille, jotka juuri nyt etsivät vastauksia kirjan kysymyksiin.

Kari A. Kuure

lauantai 6. huhtikuuta 2019

Gravitaatio-observatoriot aloittivat uuden havaintokauden


Yhdysvalloissa sijaitsevat LIGO-observatoriot ovat jälleen havaitsemassa maailmankaikkeuden gravitaatioaaltoja. Niiden vuoden kestänyt uudistustyö on saatu päätökseen ja havainnot aloitettiin huhtikuun alussa.

LIGO-observatorio Livingstonissa Yhdysvalloissa. Kuva Caltech/MIT/LIGO Lab.

Laiteuudistuksista tärkein oli voimakkaampien laser-laitteiden asentaminen. Lisäteho parantaa instrumenttien herkkyyttä. Samaan tähtää myös muutokset itse lasersäteessä. Niiden halkaisijaa on pyritty saamaan kapeammiksi.

LIGO-observatorioiden lisäksi gravitaatioaaltoja havaitsee Italiassa oleva VIRGO ja mahdollisesti ensisyksystä alkaen myös Japanissa sijaitseva KAGRA -observatoriot. Mitä useampi observatorio tekee havaintoja samasta gravitaatioaallosta, sitä tarkemmin sen lähde taivaalla voidaan määrittää.

Gravitaatioaallot syntyvät massiivisten mustien aukkojen, neutronitähtien tai näiden yhdistelmien törmäysten seurauksena. Tutkijat toivovat havaitsevansa epäsymmetrisen neutronitähden lähettämien havaitsemista, vaikka tällaisten kohteiden tuottamat aallot ovat intensiteetiltään pieniä. Signaali on kuitenkin jatkuvaa, joten sen havaitseminen olisi kuitenkin mahdollista tunnistamisen jälkeen.

Toistaiseksi havaittuja gravitaatioaaltoja on puolenkymmentä. Ne ovat massiivisten mustien aukkojen yhdistymisiä. Vain yhdessä tapauksessa kyseessä on ollut neutronitähtien törmäys. Tutkijat ovat näistä erityisen kiinnostuneita, sillä neutronitähtien törmäys tuottaa myös sähkömagneettisen säteilyn välähdyksen ja se puolestaan on mahdollista havaita avaruuskaukoputkilla. 

Mustien aukkojen yhdistyminen ei tuota havaittavaa purkausta sähkömagneettisen säteilyn alueella. Gravitaatioaaltojen ja smg-säteilyn yhdistävät havainnot mahdollistavat kohteen etäisyyden ja paikan määrittämisen ja se puolestaan auttaa tutkijoita määrittämään myös puhtaasti gravitaatioaaltoja tuottavan tapahtuman etäisyyden määrittämisessä.

Aiheesta aikaisemmin tässä blogissa










tiistai 2. huhtikuuta 2019

Tähdet heijastavat valoa


Oletko tullut koskaan ajatelleeksi, että valon emittoimisen lisäksi tähdet heijastavat valoa? Et niin, enkä minkään ole koskaan sitä ajatellut. Näin kuitenkin on ja nyt Uuden Walesin yliopiston ja Länsi-Sydneyn yliopiston (Australia) tutkijat professori Jeremy Bailey johdolla ovat myös onnistuneet mittamaan heijastuneen valon määrän Alfa Virginis (Spica) -tähdestä.

Spica on Neitsyen tähdistön kirkkain tähti. Kuva Wikimedia Commons.

Spica on kaksoistähti, jonka komponentit ovat hyvin lähellä toisiaan. Tällaista tähtiparia kutsutaan ellipsoidimuuttujaksi. Tämän muutoksen lisäksi Spica on myös Beeta Cephei -tähti, eli sen kirkkaus muuttuu 0,1–0,6 vuorokauden jaksoissa 0,01–0,3 magnitudin verran. Tähdet kiertävät toisiaan kerran 4,0145 vuorokaudessa

Heijastuneen valon havaitseminen ja mittaaminen perustuu valon polarisoitumiseen [1]. Tähden emittoima suora valo ei ole normaalisti polarisoitunutta mutta tähden pinta polarisoi siitä heijastunutta valoa. Heijastuminen on sitä voimakkaampaa mitä kuumempi tähti on. Spican pintalämpötila on 18 500 – 22 400 K, joten sen aikaansaama heijastuminen on joitakin prosentteja. Auringon heijastuskyky on vähemmän kuin 1 promille siihen osuneesta valosta.

Spican komponenttitähdet siis heijastavat toistensa valoa jonkin verran. Tutkijat ovat onnistuneet havaitsemaan tähtien kiertoajan myös polarisoituneella valolla. Sen lisäksi he pystyivät havaitsemaan, että tähdet kiertävät toisiaan myötäpäivään.

Tutkimuksen tehneissä australialaisissa ylipistoissa on kehitetty erittäin herkkä polarimetri, jolla mittaus on ollut mahdollista. Pienin käytetyistä teleskoopeista on ollut vain 350 mm peilillä varustettu. Polarisaation mittaaminen paljastaa kaksoistähdet, joiden löytyminen muilla menetelmillä ei ole mahdollista. Yksittäisten tähtien, kuten Auringon, heijastuneen valon määrää on tälläkin menetelmällä mahdoton havaita.

Huomautukset

[1] Polarisoitumaton valo värähtelee kaikissa suunnissa, kun taas polarisoitunut valo värähtelee vain yhdessä tietyssä suunnassa. Polarisoituminen tapahtuu valon heijastuessa ei-metallisesta pinnasta, esimerkiksi lasista tai vedestä. Polarisoitujen aurinkolasien käyttö perustuu siihen, että linssien pinnoitteen polarisaatio taso on heijastuneen valon polarisaatiotasosta poikkeava jopa 90°, jolloin polarisoitunut valo ei läpäise linssejä.