Hyppää sisältöön

Mustan aukon kuuluisan kuvan julkaisijat saivat uutta tietoa magneettikentästä, joka suojelee ainetta aukon ahmaisulta

Osa mustan aukon reunalle päätyneestä materiasta ei ajaudukaan aukkoon vaan pakenee suihkuna valovuosien päähän.

Tuttu kuva mutta polarisoidussa valossa. Viivat M87-galaksin keskustan supermassiivista mustaa aukkoa kiertävässä plasmassa kertovat polarisaation suunnan. Se puolestaan riippuu magneettikentän suunnasta. Kuva: EHT-yhteistyöhanke

Toissa keväänä julkaistiin ainutlaatuinen kuva. Ensi kertaa näimme mustan aukon muuna kuin tietokonesimulaationa. Nyt sama kansainvälinen ryhmä on julkaissut uutta tietoa, joka lisää ymmärrystä siitä, mitä mustan aukon reunalla tapahtuu.

Tutkittu supermassiivinen musta aukko sijaitsee M87- eli Messier 87 -galaksin keskustassa 55 miljoonan valovuoden päässä Maasta. Aukolla on yhtä paljon massaa kuin 6,5 miljardilla Auringolla.

Aika-avaruuteen syntyneet aukot ahmaisevat painovoimansa vuoksi kaiken, mikä päätyy niiden niin sanotun tapahtumahorisontin sisälle, niin aineen kuin valon.

Varsinaisesta aukosta ei saa kuvaakaan, vaan kuuluisassa kuvassa on tapahtumahorisontin varjo plasman keskellä. Se on ionisoitunutta ainetta, joka kiertää aukkoa kuumana ja säteilevänä.

Tapahtumahorisontti on raja, jonka sisältä ei ole paluuta, mutta aivan sen ääreltä on. Ennestään tiedettiin, että mustan aukon ympärillä on magneettikenttä, joka torppaa aukolta osan sen ateriasta. Magneettikentän rakennetta ei kuitenkaan tunnettu.

The Astrophysical Journal Letters -lehdessä julkaistut kaksi tutkimusartikkelia – Polarization of the Ring (siirryt toiseen palveluun) ja Magnetic Field Structure Near the Event Horizon (siirryt toiseen palveluun) – valaisevat nyt sitä, miten plasman mukanaan kantama magneettikenttä pystyy vastustamaan mustan aukon painovoimaa ja estämään osaa kaasusta putoamasta aukkoon.

Aukon ääreltä paennut kaasu suihkuaa hyvin kauas, jopa yli viidentuhannen valovuoden päähän.

Chilen Andeilla sijaitseva, Euroopan eteläisen observatorion ESO:n ja yhteistyökumppaneiden radioteleskooppijärjestelmä ALMA on suurin Maasta taivaita millimetrialueella tarkkaileva laitteisto. Se on muita herkemmän antennistonsa takia EHT-virtuaaliteleskoopin erittäin olennainen osa, kertoo Tuomas Savolainen. Kuva: C. Malin / ESO

Aalto-yliopiston vanhempi tutkija, dosentti Tuomas Savolainen on jäsen 300 tutkijan kansainvälisessä EHT-hankkeessa, joka onnistui kuvaamaan M87:n mustan aukon ja on sen jälkeen tehnyt jatkotyötä samojen havaintojen pohjalta.

Savolainen työskentelee Suomen ainoassa tähtitieteellisessä radio-observatoriossa, Kirkkonummella sijaitsevassa Metsähovissa.

EHT, Event Horizon Telescope, on virtuaalinen teleskooppi, joka yhdistää kahdeksassa paikassa eri puolilla maailmaa tehdyt radioteleskooppihavainnot.

Teleskooppien yhteinen erotuskyky on sitä luokkaa, että yhtenä fyysisenä laitteena Event Horizon -teleskooppi olisi maapallon kokoinen jättiläinen.

EHT-hanke perustuu pitkäkantainterferometriaan. Siinä useat radioteleskoopit havaitsevat yhtäaikaisesti samaa kohdetta atomikellojen tahdistamina aikoina. Havainnot yhdistetään matemaattisesti niin, että tulos on kuin yhdellä valtavalla teleskoopilla tehty.

Vuonna 2017 saatua dataa kaiveltiin nyt syvemmältä polarisaatiosignaalien löytämiseksi, Savolainen kertoo.

Valo polarisoituu, kun se kulkee tiettyjen suodattimien läpi. Arkiesimerkki ovat polarisoidut aurinkolasit, jotka vähentävät heijastuksia ja häikäisyä. Myös mustaa aukkoa ympäröivän kuuman kaasun lähettämä valo on polarisoitunutta.

– Olemme tienneet jo lähemmäs 50 vuotta, että galaksien keskustassa olevat supermassiiviset mustat aukot pystyvät laukaisemaan valtavia plasmasuihkuja, jotka yltävät joissakin tapauksissa kauaksi emogalaksin ulkopuolelle ja joissa materiaa virtaa lähes valon nopeudella, kertoo Savolainen.

Suosituimmat teoriat siitä, miten musta aukko saa moisen aikaiseksi, liittyvät juuri magneettikenttiin.

– Yksi erittäin varteenotettava malli on sellainen, että magneettikentät pystyvät irrottamaan pyörivästä mustasta aukosta sen pyörimisenergiaa, mikä sitten toimii suihkujen moottorina.

Jotta voitaisiin testata, pitävätkö tällaiset mallit paikkansa, on päästävä mittaamaan mustan aukon välittömässä ympäristössä sijaitsevia magneettikenttiä. Nyt saatu polarisaatiokuva on kaikkien aikojen ensimmäinen näin läheltä tapahtumahorisonttia.

Kun kuuman plasman lähes valon nopeudella liikkuvat elektronit kieppuvat magneettikentässä, syntyy synkrotronisäteilyä. Sen polarisaation suunta riippuu magneettikentän suunnasta, joten polarisaation havaitseminen auttaa pääsemään käsiksi magneettikentän geometriaan, Savolainen selittää.

Tässä se nyt on, iloittiin kuudessa samanaikaisessa tiedotustilaisuudessa eri puolilla maailmaa huhtikuussa 2019, kun kaikkien aikojen ensimmäinen kuva mustasta aukosta julkaistiin. Tässä tulosta esittelee Yhdysvaltain tiedesäätiö Washingtonissa. Kuva: Pete Marovich / EPA

Uudet tutkimustulokset eivät ehkä herätä samalla tavalla yleistä ällistystä kuin mustan aukon ensimmäinen kuva. Avaruustutkimusta harrastavia ne voivat silti kiinnostaa, koska ne auttavat osaltaan ymmärtämään, miten mustat aukot toimivat, Savolainen arvelee.

– Se kahden vuoden takainen kuva oli tietysti todella laajalle joukolle kiinnostava, koska se oli ensimmäinen välähdys avaruuden syöveristä, joka oli ehkä tullut useimmille vastaan lähinnä tieteistarinoissa. Uudet tulokset ovat vähän teknisempi juttu.

Galaksien keskustojen supermassiiviset mustat aukot tiedetään moottoreiksi tutkijoiden aktiivisiksi kutsumille galakseille. Ne ovat kirkkaampia kuin tähtiensä yhteenlaskettu valo, mitä tämä tutkimus saattaa osaltaan selittää.

– Se voi myös auttaa vähän mutkan kautta selittämään, millaisessa symbioosissa galaksit ja niiden keskustoissa olevat mustat aukot elävät.

Supermassiiviset mustat aukot ja galaksit kasvavat ikään kuin käsi kädessä. Sen ymmärtämiseksi on tärkeä tietää, millaisista kertymäprosesseista on kyse eli mitkä fysikaaliset prosessit ja olosuhteet mustan aukon lähettyvillä vallitsevat, Savolainen sanoo.

– Tästä tulee yksi palanen siihen tietoon.

Supermassiivisten mustien aukkojen synnystä maailmankaikkeuden historiassa on monia hypoteeseja. Tähdenmassaiset mustat aukot ovat elämänsä lopussa romahtaneita tähtiä, mutta eivät nekään mitä tahansa. Vain yhdellä tuhannesta on tarpeeksi massaa tullakseen mustaksi aukoksi.

EHT-hankkeessa käsitellään parhaillaan vuonna 2018 kerättyä dataa ja edelleen myös vuoden 2017 dataa mutta toisesta mustasta aukosta. Se sijaitsee kotigalaksimme Linnunradan keskellä.

Toissa vuonna tekniset ongelmat estivät vuosittaiseksi aiotun kampanjan, ja viime vuonna sen perui koronapandemia. Mutta nyt toivotaan, että ensi kuussa päästään taas havaitsemaan, Tuomas Savolainen kertoo.

M87:n mustan aukon lisäksi EHT-ryhmää on alusta asti kiinnostanut Linnunradan keskustan supermassiivinen musta aukko Sagittarius A*.

Ennen toissa kevään tiedotustilaisuutta jännitettiin, kumman kuvan tutkijat olivat julkaisemassa. Useimpien arvaus oli 26 000 valovuoden päässä sijaitseva Sagittarius A* .

Se osoittautui kuitenkin niin levottomaksi, että hyvää kuvaa oli vaikea saada, vaikka välimatka onkin paljon lyhyempi kuin M87:ään.

– Sen massa on noin tuhat kertaa pienempi kuin M87:llä, joten kuuma plasma kiertää aukon ympäri huomattavasti nopeammin, parinkymmenen minuutin aikaskaalassa. Meidän yksi "valotuksemme" kestää kahdeksisen tuntia. Kohde ehtii muuttua valotuksen aikana.

Sagittarius A*:n datan parissa on kuitenkin jatkettu rinta rinnan M87:n polarisaatioanalyysin kanssa, ja tuloksia kerrotaan aikanaan, Savolainen lupaa.

Tuolla jossakin Linnunradan keskellä on Sagittarius A*, musta aukko, jonka massa vastaa neljää miljoonaa Aurinkoa. Kuva: F. Char / ESO

Tuomas Savolaisesta tuli mustien aukkojen tutkija samasta syystä, jonka takia sinä olet lukenut tätä tuttua näin pitkälle: tähtitiede kiinnosti harrastuksena, jo teininä.

Kun fysiikan opinnoissa Turun yliopistossa tuli aika valita jokin erikoistumisvaihtoehdoista, vanha harrastus sai valitsemaan tähtitieteen.

– Päädyin tekemään tähtitieteen väitöskirjan, ja sen jälkeen tie vei töihin Saksaan Max Planck -insitituuttiin, Bonnin radioastronomiainstituuttiin. EHT-kollaboraation jäsenyys on Saksan-reissun peruja, Savolainen kertoo.

Mustien aukkojen lähettämiä suihkuja hän on tutkinut väitöskirjasta saakka. Aihepiiri on ollut siis ollut aina aika lailla sama, mutta havaintomahdollisuudet ovat parantuneet vuosien myötä.

– Olen pyrkinyt kohti korkeampia erotuskykyjä ja lähemmäs itse mustaa aukkoa. Se on mahdollista tällä pitkäkantainterferometrialla, kun joko teemme havaintoja hyvin lyhyillä radioaalliolla – kuten EHT – tai lähetämme radioteleskoopin avaruuteen. Sellaisessakin on tullut oltua mukana.

Jostakin syystä on ollut kiehtovaa yrittää päästä yhä lähemmäksi aktiivisten galaksien varsinaista moottoria, Savolainen sanoo. Hänen tulevaisuudentoiveenaan on ymmärtää plasmasuihkun synnyttävää mekanismia detaljitasolla.

– Olemme päässeet koko ajan lähemmäksi ja lähemmäksi sitä, että pystymme rajaamaan malleja ja sanomaan, mikä näyttäisi toimivan ja voisi olla todennäköistä.

Lue myös:

Se onnistui! Mustasta aukosta saatiin ensimmäinen kuva

Fysiikan Nobel jälleen avaruuden mysteerien tutkijoille

Yle tapasi Nobel-voittajan, joka löysi supermassiivisen mustan aukon Linnunratamme keskuksesta

Suosittelemme sinulle