Uudenlainen musta aukko: hiuksellinen ja ympäröity peruspartikkelirenkailla ⚫

Par Romain Gervalle, gravitaatioteorioiden apulais tutkija, Toursin yliopisto & Mikhail Volkov, fysiikan professori, Toursin yliopisto

Tutkimuksessamme, joka julkaistiin 21. lokakuuta 2024 lehdessä Physical Review Letters, ennustamme uudenlaisten mustien aukkojen olemassaoloa, jotka olisivat ympäröityjä Saturnuksen kaltaisilla renkailla, mutta koostuisivat alkuainehiukkasista.


Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria ennustaa mustien aukkojen olemassaolon: alueita aika-avaruudessa, joissa gravitaatio on niin voimakasta, että mikään, ei edes valo, ei voi paeta. Niiden hypoteettinen olemassaolo muotoiltiin vuonna 1916, kun yleisen suhteellisuusteorian matemaattisten yhtälöiden ratkaisut, jotka kuvaavat mustia aukkoja, saatiin.

Kuitenkin niiden todellista olemassaoloa on keskusteltu tiedeyhteisössä lähes vuosisadan ajan. Vuonna 1965 brittiläisen matemaatikon Roger Penrosen teoreettiset työt osoittavat, että mustat aukot syntyvät väistämättä tähtien gravitaatiokollapsin seurauksena, ja vasta 1990-luvulla amerikkalaisten astrofysikoiden Reinhard Genzelin ja Andrea Ghezin tekemät astronomiset havainnot paljastavat, että galaksimme keskustassa näyttää olevan valtava musta aukko. Tämä löytö toi heille ja Roger Penroselle fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 2020.

Nykyään, kansainvälisen Event Horizon Telescope -yhteistyön havaintojen ansiosta, pystymme erottamaan Linnunradan keskustassa sijaitsevan mustan aukon varjon.

Mustien aukkojen olemassaolo universumissa on siis vahvasti todistettu, mutta löydöt eivät lopu tähän. Ennustamme tänään uudenlaisten mustien aukkojen olemassaoloa, joita ehdotetaan perusvoimien standardimallin mukaan.

Mustien aukkojen alkuperä

On yleisesti hyväksyttyä, että mustat aukot ovat kaikkialla universumissamme. Niiden muodostumista selittävät yleisesti kaksi skenaariota.

Ensinnäkin on olemassa tähdistä syntyvät mustat aukot, jotka muodostuvat tavallisten tähtien gravitaatiokollapsin seurauksena niiden elinkaaren lopussa, eli kun ne romahtavat oman painonsa alla kulutettuaan kaiken polttoaineensa. Niiden massa vaihtelee tyypillisesti 2-3 auringon massasta kymmeniin — jopa satoihin — auringon massoihin. Näiden tähtimustien aukkojen muodostumisen jälkeen ne voivat kasvaa imemällä ympäröivää ainetta. Ne voivat myös sulautua toisiinsa, mikä tuottaa merkittäviä gravitaatioaaltoja, joiden ensimmäinen havaitseminen palkittiin fysiikan Nobelilla vuonna 2017.

On myös mahdollista, että jotkin niin kutsutut primordiaaliset mustat aukot ovat syntyneet primaariaineen romahtaessa ensimmäisen sekunnin aikana suuren räjähdyksen jälkeen. Näiden primordiaalisten mustien aukkojen massa voi olla valtava, jopa miljardeja auringon massoja useimpien galaksien keskuksessa sijaitseville supermassiivisille mustille aukkoille.

Mutta se voi myös olla pieni, esimerkiksi planeettojen tai asteroideiden kokoluokkaa, keskittyneenä alle senttimetrin säteelle! On siis mahdollista, että universumi on täynnä näitä pieniä primordiaalisia mustia aukkoja, joiden tuleva havaitseminen on tärkeä haaste havaintoaineen astrofysiikassa. Vielä kevyemmät primordiaaliset mustat aukot olisivat todennäköisesti haihtuneet hyvin nopeasti Hawkingin prosessin mukaan, eikä niitä olisi säilynyt nykypäivään asti.

Tuloksemme viittaavat siihen, että jotkut pienet primordiaaliset mustat aukot, jotka ovat vielä olemassa tänään, saattavat omata uuden ominaisuuden: olla "hiuksellisia".

Mustilla aukoilla "ei ole hiuksia"

Tähtimustilla aukoilla ei ole muistijälkiä tähdestä, joka romahti niiden muodostumiseen, paitsi niiden massa, sähkövaraus (tai magneettisuus) ja pyörimisnopeus. Kaikki muut niiden alkuperäisen tilan ominaisuudet (esimerkiksi tähden kemiallinen koostumus) katoavat täysin romahtamisen aikana, ja kaikki saman massan, saman varauksen ja saman pyörimisnopeuden omaavat mustat aukot ovat täysin identtisiä.

Amerikkalainen fyysikko John Wheeler kuvasi tätä ominaisuutta kuuluisalla lauseellaan: "mustilla aukoilla ei ole hiuksia", jossa "hiuksilla" tarkoitetaan mitä tahansa muuta parametria kuin massa, varaus ja pyörimisnopeus.

Tämä ominaisuus tähtimustista aukoista on vahvistettu ainutkuus teoreemoilla, kun taas primordiaalisten mustien aukkojen osalta se on esitetty oletuksena, joka on osittain vahvistettu sarjalla "kaljuus teoreemoja".

Kuitenkin... hiuksellisten mustien aukkojen alkuvaiheet

Luonnon neljästä perusvoimasta kaksi, gravitaatio ja sähkömagnetismi, vaikuttavat makroskooppisella tasolla ja selittävät "kaljujen" tähtimustien aukkojen rakennetta. Kaksi muuta voimaa, heikko ja vahva, vaikuttavat vain mikroskooppisella tasolla, atomien sisällä. Voivatko nämä kaksi viimeistä perusvoimaa vaikuttaa mustien aukkojen rakenteeseen?

Näitä voimia kuvaavat fysiikan teoriat ovat melko monimutkaisia tutkia, ja siksi fyysikot ovat ensin keskittyneet yksinkertaistettuihin teoreettisiin malleihin. Juuri näiden yksinkertaistettujen mallien ansiosta on löydetty niin kutsuttuja hiuksellisia mustia aukkoja, jotka ovat ympäröityjä ainekerroksella, joka on intrinsiikisesti sidottu niihin ja siten erottuvat toisistaan lisäparametrien (muiden kuin massa, varaus, pyörimisnopeus) avulla.

Ensimmäisestä löydöstään vuonna 1989 lähtien monia esimerkkejä hiuksellisista mustista aukoista on löydetty teoreettisten fyysikoiden toimesta, mutta aina yksinkertaistettujen tai äärimmäisen spekulatiivisten teorioiden puitteissa. Tällaisia mustia aukkoja on olemassa paperilla matemaattisten yhtälöiden ratkaisuna, mutta ei ole mitään, mikä todistaisi niiden todellisen olemassaolon universumissamme.

Mustat aukot "elektroheikkohiusilla"

Tutkimuksessamme olemme tarkastelleet kolmen tarkkojen, yksinkertaistamattomien ja kokeellisesti vahvistettujen teorian yhdistämistä, jotka yhdistävät kolme neljästä perusvoimasta: gravitaation, sähkömagnetismin ja heikon ydinvoiman (kaksi viimeistä muodostavat yhdessä elektroheikon voiman).

Ratkaisut, jotka olemme saaneet ratkaisemalla näiden yhdistettyjen teorioiden yhtälöitä, kuvaavat magneettisesti varattuja mustia aukkoja, jotka ovat ympäröityjä "hiuksilla" renkaiden muodossa.

Nämä renkaat koostuvat alkuainehiukkasista (tarkemmin sanottuna W-, Z- ja Higgs-bosoneista), Bose-Einstein-kondensaatin muodossa — erityinen aineen tila, joka ilmenee tietyissä olosuhteissa. Laboratoriossa sitä on havaittu kylmien atomien osalta, joita on vangittu laserien avulla (mikä toi Nobel-palkinnon vuonna 2001 sen löytäneille).

Meidän tapauksessamme mustan aukon voimakas magneettikenttä tuottaa elektroheikkokondensaatin, ja koska se on myös magneettisesti varattu, se työnnetään mustasta aukosta magneettivoiman avulla eikä siksi putoa sisään. Kuitenkin se ei myöskään heitetä kauemmas, koska se vetää mustaa aukkoa puoleensa gravitaatiovoiman vuoksi. Se jää siis vangituksi mustan aukon ulkopuolelle.

Uudenlaisten renkaallisten mustien aukkojen koko voi olla makroskooppinen, noin senttimetrin, kun taas niiden renkaiden koostavat alkuainehiukkaset esiintyvät normaalisti äärettömän pienen mittakaavassa.

Koska nämä mustat aukot on kuvattu kokeellisesti vahvistetuilla teorioilla, tämä viittaa vahvasti siihen, että ne eivät ole vain matemaattisia ratkaisuja, vaan myös todellisia objekteja universumissa.

Voisiko näitä mustia aukkoja havaita?

On selvää, että nämä hiukselliset mustat aukot eivät voisi syntyä tänään. Sen sijaan niiden muodostumiseen suotuisat olosuhteet olisivat voineet esiintyä universumin varhaisissa hetkissä, äärimmäisen tiheässä ja vaihtelevaassa primaariplasmassa. Ne olisivat siis primordiaalisia mustia aukkoja.

On tärkeää huomata, että nämä mustat aukot ovat vakaita, koska renkaiden läsnäolo vähentää mustan aukon massaa, joten niiden hävittäminen olisi energiatehokkuuden kannalta epäedullista. Ne voisivat siis selvitä nykypäivään asti ja olla osa pimeää ainetta, jonka tarkka luonne on edelleen tuntematon ja jota havaitaan vain sen gravitaatiovaikutuksen kautta.

Nämä hiukselliset mustat aukot voitaisiin havaita niiden vuorovaikutuksen kautta pyörivien neutronitähtien (pulsarien) kanssa, koska jos ne imeytyvät johonkin niistä (mikä voi tapahtua, koska ne ovat paljon pienempiä ja kevyempiä), niin tähti jatkaa olemassaoloaan mustan aukon sisällä, mutta tämä muuttaa äkillisesti sen pyörimisjaksoa, mikä voisi olla havaittavissa.