Hyppää sisältöön

Yle tapasi Nobel-voittajan, joka löysi supermassiivisen mustan aukon Linnunratamme keskuksesta: ”Emme voi selittää kaikkea tuntemiemme luonnonlakien mukaan”

Tämän vuoden fysiikan Nobel-palkinto myönnetään kolmelle tähtitieteilijälle mustien aukkojen tutkimisesta. Andrea Ghez on vasta neljäs tunnustuksen saanut nainen.   

Andrea Ghez on yksi tämän vuoden fysiikan nobelisteista. Arkistokuva vuodelta 2015. Kuva: Elena Zhukova
Johanna Juntunen

LOS ANGELES Professori Andrea Ghez on yrittänyt todistaa jo 25 vuotta, että Linnunradan keskellä piilottelee supermassiivinen musta aukko 26 000 valovuoden päässä Maasta.

Kalifornian yliopistossa Los Angelesissa (UCLA) toimiva fysiikan ja avaruustutkimuksen professori onnistui haasteessa pitkäjänteisyyden ja teknologian kehittymisen ansiosta.

– Nobel-palkinnon merkittävyys on siinä, että sen myötä supermassiivisten mustien aukkojen olemassaolosta on nyt varmuus. Löysimme mustan aukon mittaamalla sitä kiertävien tähtien ratoja, Ghez iloitsee Ylelle Los Angelesissa.

Tähdistä tärkein on SO2 (tai S2), jonka kiertorata mustan aukon ympäri kestää 16 vuotta. Ghez pystyi kiertoradan nopeusvaihtelujen kautta osoittamaan vuonna 1998, että Linnunradan keskustassa on supermassiivinen tiheä kohde eli musta aukko, Sagittarius A*. Sen massan on laskettu olevan neljä miljoonaa Auringon massaa ja halkaisijan yli 24 miljoonaa kilometriä.

Kuva: Harri Vähäkangas / Yle

Ghez jakaa puolet lähes miljoonan euron palkintosummasta Reinhard Genzelin kanssa. Genzell on Berkeleyn yliopiston ja Max Planck -instituutin maan ulkopuolisen fysiikantutkimuksen johtaja. Hänen johtamansa kilpailevan tutkimusryhmän tulokset tukevat Ghezin Galactic Center -ryhmän tekemiä havaintoja.

Alun perin projektien oli tarkoitus kestää vain kolme vuotta. Sinä aikana molemmat ryhmät uskoivat voivansa laskea kiertoratojen sijaan vain tähtien nopeuksia.

– Vuosien saatossa mustaa aukkoa kiertävien tähtien ratoihin on suhtauduttu epäilevästi. Kun kaksi itsenäistä ryhmää saa saman tuloksen, se vakuuttaa tiedeyhteisön, että olemme suorittaneet laskelmat oikein. Suurin ero ryhmiemme välillä on mittausten analysoinnissa: miten käsittelemme dataa ja päättelemme riippuvuussuhteita.

Tietoa kerättiin Havaijilla

Ghez teki havainnot ja keräsi dataa Havaijilla olevilla Keckin teleskoopeilla sekä niihin rakennettujen instrumenttien, kuten adaptiivisen optiikan avulla, jota hän on ollut kehittämässä.

– Ilman adaptiivista optiikkaa kaukaisen kohteen tarkasteleminen on kuin katsoisi virtaavan joen pohjalla olevaa kiveä, sillä Maan ilmakehän värinä ja muut häiriöt estävät tarkan kuvan välittymisen.

Keckin kaksoisteleskoopissa on kymmenmetriset peilit. Kuva: Laurie Hatch

Vaikka Keckin teleskoopit on suunniteltu tekemään havaintoja myös näkyvän valon aallonpituudella, Ghezin ryhmä tarkasteli kohteesta tulevaa infrapunasäteilyä 2 mikronin aallonpituudella. Galaksin keskustassa on paljon pölyä, joka imee näkyvää valoa itseensä, mutta ei estä infrapunasäteilyn kulkua.

Mittaukset tehtiin valokuvien perusteella ja spektroskopialla.

– Kuvien perusteella laskemme, miten tähdet liikkuvat taivaan tasossa, ja spektrin avulla voimme mitata tähden nopeuden kohtisuorassa taivaan tasoa vastaan.

Galaksit ja mustat aukot syntyneet samanaikaisesti

Kolmas palkituista on Oxfordin yliopiston teoreettinen fyysikko Roger Penrose, joka saa toisen puolen palkinnosta. Hän todisti matemaattisesti vuonna 1965, että mustia aukkoja on olemassa ja että Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria (1915) johtaa niiden muodostumiseen.

Mustien aukkojen painovoima eli gravitaatio on niin voimakas, ettei mikään kappale, hiukkanen eikä edes valo pääse pakenemaan sen mahtia joutuessaan tarpeeksi lähelle aukkoa niin sanottuun tapahtumahorisonttiin. Sen sisäpuolelle joutuminen tietää varmaa tuhoa. Mustan aukon sisällä myös kappaleiden kemiallinen rakenne häviää.

Einsteinin ja Penrosen ansiosta tiedämme, että tähtien massaiset mustat aukot, joilla on 30 kertaa Auringon massa, ovat suurten tähtien kehityksen loppupiste.

Supermassiivisten mustien aukkojen olemassaolo galaksien keskustoissa sen sijaan todistettiin havaintojen perusteella alueelle keskittyneen suuren energiamäärän takia.

– Tämä palkinto on tunnustus kahdelle tärkeälle, toisiaan tukevalle lähestymistavalle tieteen tekemisessä. Genzelin ja minun havainnointitutkimukseni sekä Penrosen teoria muodostavat tiiviin kokonaisuuden mustien aukkojen tutkimuksessa.

– Ne ovat lisänneet tietoa supermassiivisten mustien aukkojen olemassaolosta kymmenmiljoonakertaisesti, toteaa Ghez.

Ghez ja tiimi Havaijilla.

Käsitys siitä, miten supermassiiviset mustat aukot ovat muodostuneet, on muuttunut tutkimuksen kuluessa. Sen selvittäminen auttaisi ymmärtämään niiden merkitystä galaksien muodostumisessa ja kehityksessä.

– Jos vertaamme muista galakseista löytyneiden supermassiivisten mustien aukkojen massaa galaksin ydintä ympäröivän tähtikiekon (keskuspullistuma) massaan, ne korreloivat vahvasti keskenään. Tämä osoittaa, että se, mikä synnytti galaksit, synnytti samanaikaisesti supermassiiviset mustat aukot.

Suhteellisuusteoriaa laajennettava

Uusien havaintojen myötä nousee lisää kysymyksiä. Monet teoriat romuttuvat sitä mukaa, kun maailmankaikkeuden salaisuudet paljastuvat.

– Tähtien kiertoratojen selvittämisen ansiosta on avautunut mahdollisuus tarkastella suoraan, miten painovoima käyttäytyy supermassiivisten mustien aukkojen lähellä. Ensimmäinen tilaisuus oli vuonna 2018, jolloin SO2 kävi lähimpänä mustaa aukkoa ja pystyimme testaamaan suhteellisuusteoriaa sen perusteella, miten fotonit eli valohiukkaset kulkivat tähdestä teleskooppiimme.

Einsteinin teoria on toistaiseksi pitänyt kutinsa, mutta Ghez uskoo, että sitä on pian laajennettava uuden tiedon ja suurempien teleskooppien rakentamisen myötä, jolloin päästään tekemään havaintoja mustien aukkojen välittömässä läheisyydessä. Se on haastavaa, koska mustat aukot eivät lähetä säteilyä. Mustat aukot voidaan havaita vain sen perusteella, miten ne käyttäytyvät ympäristönsä kanssa. Niiden sisärakennetta, kuten pyörimistä ei ole vielä mahdollista tutkia.

– Emme voi selittää kaikkea mustista aukoista tuntemiemme luonnonlakien mukaan, emmekä pysty edistämään tietämystämme suorien havaintojen avulla, Ghez sanoo.

Hänen mukaansa mustien aukkojen olemus ja käyttäytyminen osoittavat, että tietyssä pisteessä tarvitaan suhteellisuusteoriaa kokonaisvaltaisempaa selitystä painovoimasta.

– Einsteinin suhteellisuusteoria ei ole siihen täysin riittävä. Jatkamme teorian testaamista, Ghez kertoo.

Kannustusta naisille tieteentekijöinä

Andrea Ghez on vasta neljäs nainen, jolle myönnetään fysiikan Nobel-palkinto.

– Tämä on suuri kunnianosoitus, joka nostaa minut tieteen puolestapuhujan asemaan. Olen myös ylpeä voidessani olla roolimalli naisille ja nuorille tytöille.

Ghez olisi itse kaivannnut kannustusta tutkijanuralleen negatiivisen suhtautumisen sijaan. Kokemustensa pohjalta hän on julkaissut kirjan You Can Be a Woman Astronomer (1995).

– Elämme mielenkiintoisia aikoja Yhdysvalloissa tieteeseen suhtautumista ajatellen. Opettamisesta on tullut minulle tärkeämpää sen myötä. Kun aloitin urani, tutkijan rooli oli intohimoni. Nyt haluan kannustaa etenkin nuoria naisia tieteen pariin ja opetan johdantokursseja, jotta he näkevät, miten erilaisia ja erinäköisiä tiede”miehet” voivat olla, naurahtaa Ghez.

Tänä poikkeuksellisena vuonna Nobel-palkitut eivät matkusta Tukholmaan, vaan saavat mitalin ja diplomin kotimaassaan. Varsinaista seremoniaa, jossa näytetään video kaikista tämän vuoden nobelisteista, voi seurata virtuaalisesti Ruotsin kuninkaallisen tiedeakatemian sivuilla (siirryt toiseen palveluun) Tukholmasta tänään torstaina kello 17.30 ja Oslon rauhanpalkintoseremoniaa klo 14.

Voit keskustella aiheesta perjantaihin 11.12.2020 kello 23:een saakka.

Lue lisää:

Fysiikan Nobel jälleen avaruuden mysteerien tutkijoille

Uusin musta aukko löytyi niin läheltä Maata, että aukkoa kiertävät tähdet voi nähdä jopa paljain silmin

Suosittelemme sinulle