uniVersI/O



Mustia aukkoja Prahassa

Olen tällä hetkellä Prahassa Probing Strong Gravity Near Black Holes -konferenssissa tutustumassa mustien aukkojen tutkimuksen eturintamaan. Konferenssi keskittyy nimensä mukaisesti tutkimaan voimakasta painovoimakenttää mustien aukkojen läheisyydessä. Alla hieman ”muistiinpanoja” konferenssissa kuulluista esitelmistä.

Mustien aukkojen kauneus piilee niiden yksinkertaisuudessa. Mikä tahansa musta aukko voidaan kuvata kahdella parametrilla: mustan aukon massalla ja pyörimisnopeudella. Kun meillä on hallussa nämä kaksi parametria, ne voidaan syöttää suhteellisuusteoriaan, joka sylkäisee koko mustan aukon aiheuttaman gravitaatiokentän sisuksistaan. Helppoa… tai sitten ei. Koska mustat aukot ovat nimensä mukaisesti mustia, tarvitaan jotain, joka valaisee mustan aukon ympäristön. Tällöin musta aukko korostuu ”mustuudessaan” taustasta, koska emme voi havaita säteilyä enää tapahtumahorisontin sisäpuolelta. Tämä jotain on materiaa, joka putoaa kohti aukkoa muodostaen kertymäkiekon aukon ympärille. Kertymäkiekko, joka tarvitaan mustan aukon paljastamiseksi, mutkistaa asioita huomattavasti. Lähellä mustaa aukkoa, erittäin voimakkaassa painovoimakentässä, kiekko kuumenee erittäin paljon johtuen plasman viskositeetistä ja säteilee lämpönsä röntgensäteinä. Plasma on myös magneettista, joka voi aiheuttaa kiekossa paikallisesti lisäkuumenemista ja yhdistettynä mustan aukon pyörimiseen valtavan energeettisiä hiukkassuihkuja. Havaitsemalla mustia aukkoja kaksoistähtijärjestelmissä tai galaksien ytimissä astrofyysikot voivat saada vastauksia prosesseista lähellä tapahtumahorisonttia, plasman käyttäytymisestä äärimmäisessä painovoimakentässä ja samalla havainnot testaavat myös suhteellisuusteorian paikkansapitävyyttä.

Ensimmäinen päivä keskittyi auringonmassaisten mustien aukkojen tutkimukseen Linnunradassa. Se alkoi Ron Remillardin (MIT) esitelmällä musta aukko röntgenkaksoistähtien eri röntgentiloista ja kvasiperiodisista oskillaatioista (QPO), karkeasti suomennettuna enemmän tai vähemmän säännöllisestä jaksollisuudesta kohteesta mitatussa aikasarjassa. Yleisesti ottaen tutkijat ovat sitä mieltä, että lähellä mustaa aukkoa plasma jakautuu kahteen komponenttiin: kertymäkiekkoon ja ns. koronaan. Eri röntgentilat heijastavat sitä, milloin nämä kaksi komponenttia esiintyvät ja miten ne vaikuttavat toinen toiseensa lähellä mustaa aukkoa fotonien heijastuessa tai sirotessa ”kylmästä” (~1 keV eli ~10 miljoonaa astetta) kiekosta tai ”kuumasta” (~100 keV eli noin miljardi astetta) koronasta. QPO:iden taas ajatellaan olevan äkillisiä kirkkaita purkauksia kertymäkiekossa, jotka lähellä mustaa aukkoa kiertävät tapahtumahorisonttia erittäin lähellä, lähettäen näin säännöllisiä pulsseja ennen kuin putoavat tapahtumahorisontin sisäpuolelle. Eri taajuuden omaavien QPO:iden arvellaan johtuvan relativistisista efekteistä lähellä mustaa aukkoa, kuten suhteellisuusteoreettinen prekessio ja Lense-Thirring efekti (Luigi Stella, INAF), tai kyseessä voi olla kertymäkiekon plasman muodostava prekessoiva rinkula (Omar Blaes, UC Santa Barbara; Adam Ingram, University of Durham). Päivä jatkui Jörn Wilmsin (ECAP) esitelmällä mustien aukkojen viivaspektroskopiasta. Emissioviivat röntgenspektrissä ovat ikään kuin atomien kädenjälkiä ja tärkein niistä on kertymäkiekon plasmassa esiintyvä rauta. Lähellä mustaa aukkoa viivaprofiili muuttuu relativististen efektien kuten punasiirtymän, valon taipumisen tai relativistisen Doppler-siirtymän ansiosta. Iltapäivällä painopiste siirtyi mustien aukkojen pyörimisnopeuden mittaamiseen ja Jeffrey McClintockin (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) esitelmässä pyörimisnopeutta haettiin tutkimalla röngenkaksoistähtien röntgentilaa, jolloin kertymäkiekko ulottuu tietylle radalle aivan lähelle mustan aukon tapahtumahorisonttia (tutuille ISCO, Inner-most Stable Circular Orbit), jonka sijainti riippuu mustan aukon pyörimisnopeudesta. Toisaalta mustan aukon pyörimisnopeus aiheuttaa relativistisia efektejä, joita havaitaan raudan emissioviivasta. Ongelmia esiintyy kuitenkin näiden kahden metodin yhdistämisestä (Mari Kolehmainen, University of Durham). Raudan emissioviivan relativistisia efektejä on havaittu myös röntgentiloista, joissa kertymäkiekko on ajateltu sijaitsevan huomattavasti kauempana ISCO:sta (Jörn Wilms), mutta toisaalta niiden on havaittu myös puuttuvan näistä tiloista (Emrah Kalemci, Sabanci University). Suurimmat ongelmat liityvätkin eri röntgentilojen fysikaaliseen tulkintaan, milloin relativistisia efektejä havaitaan ja milloin ei, ja kuinka QPO:t sopivat kuvaan sekä mikä on niiden fysikaalinen perusta.

Toisen päivän aiheena olivat supermassiiviset mustat aukot. Periaatteessa kaikki samat efektit ovat näkyvissä supermassiivissa mustissa aukoissa kuin auringonmassaisissa mustissa aukoissa, mutta skaalattuna massan mukaan, mikä pidentää tapahtumien aikaskaalaa. Tämä vertaus ei kuitenkaan ole täydellinen, kuten kävi ilmi Ari Laorin (Israel Institute of Technology) esitelmästä, jossa aktiivisen galaksiytimen kertymäkiekon spektri eroaa auringonmassaisten mustien aukkojen kertymäkiekkojen spektristä. Myös QPO:iden puuttuminen supermassiivisten mustien aukkojen ympäriltä on hämmentänyt tutkijoita, ja vihdoin ensimmäinen sellainen on löytynyt (Matthew Middleton, University of Durham) vain hävitäkseen uudestaan seuraavissa havainnoissa. Supermassiivisten mustien aukkojen aiheuttamia relativistisia efektejä voidaan toki tutkia myös raudan emissioviivasta ja muista heijastusefekteistä. Näistä mielenkiintoisimmaksi nousi valon taipuminen lähellä mustaa aukkoa: kertymäkiekosta tuleva fotoni taipuu mustan aukon gravitaatiokentässä ja heijastuu takaisin kertymäkiekkoon ja kimpoaa siitä kohti havaitsijaa (Kazushi Iwasawa, INAF; Michal Dovciak, Checz Astronomical Institute; Dom Walton, University of Cambridge).

Kolmas päivä alkoi Linnunradan keskustan supermassivisen mustan aukon, Sgr A*, merkeissä ja iltapäivällä siirtyi tulevaisuuden observatorioihin. Sgr A* on siitä mielenkiintoinen kohde, että sen läheisen sijainnin ansiosta yksittäisten tähtien liike Sgr A*:n ympäri voidaan havaita. Keskustan suuren tähtitiheyden vuoksi on mahdollista, että mustaa aukkoa tarpeeksi läheltä kulkeva tähti muuttuu ns. ”pannukakkutähdeksi” mustan aukon voimakkaan vuorovesivoiman ansiosta tai se voi saada mustalta aukolta valtavan gravitaatiopotkun, joka lisää tähden vauhdin prosentteihin valonnopeudesta (Shiho Kobayashi, Liverpool John Moores Univerisity). Mielenkiintoisin Sgr A* ympärillä kiertävistä tähdistä on S2, joka kiertää mustaa aukkoa niin läheltä, että tarpeeksi tarkoilla havainnoilla voidaan testata suhteellisuusteorian aiheuttamia efektejä, tosin arviolta vasta vuonna 2020 (Tobias Fritz, MPI). Tulevaisuuden observatorioista mielenkiintoisimmat koskevat mustan aukon kuvaamista. Alimillimetrialueen interferometrialla tai ns. space-VLBI observatoriolla päästää niin suuriin resoluutioihin, että mustan aukon aiheuttama ”varjo” kertymäkiekkoa vasten voidaan suoraan havaita (Makoto Miyoshi, NAOJ; Seiji Kameno, Kagoshima University).

Kaiken kaikkiaan mustien aukkojen tutkimuksessa ollaan siirrytty eteenpäin: kymmenisen vuotta sitten erimielisyyksiä aiheutti se, onko mustia aukkoja ylipäätään olemassa ja mikä niiden massa on. Nyt ollaan päästy tilanteeseen, jossa suurin osa tutkijoista hyväksyy mustien aukkojen olemassaolon ja kymmenien mustien aukkojen massat tiedetään jo hyvinkin tarkasti. Tulevaisuuden kysymykset sijoittuvatkin mustien aukkojen pyörimisnopeuden mittaamiseen, QPO:den fysikaalisen perustan selvittämiseen ja uuden tekniikan myötä myös itse mustien aukkojen kuvaamiseen. Over and out.

Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: