1. yle.fi
  2. Uutiset
  3. tiede

Kahden mustan aukon gravitaatiolinssistä mallinnus

Supertietokoneella luotu mallinnus mm. näyttää, kuinka toisiaan kiertävät mustat aukot lovat toisilleen "kulmakarvat". Myös punasiirtymä tuntuu käyttäytyvän erikoisesti kahden mustan aukon käsittelyssä. Mallinnusten toivotaan myös tuovan uutta toivoa painovoima-aaltojen havaitsemiseen.

Kaksi toisiaan kiertävää mustaa aukkoa venyttävät toistensa tapahtumahorisontteja. Aukkojen välissä mutkitteleva valo saa katsojaa lähempänä olevan aukon kuitenkin näkymään taaempaa vasten. Kuva: Black-holes.org. Lisenssi: CC BY-NC (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/deed.fi)

Mustien aukkojen mallintamisen tarkkuus yltää jo kuvaamaan kahden toisiaan kiertävän aukon käyttäytymistä. Tutkijat ovat nyt julkaisseet mallinnuksen siitä, miltä kahden mustan aukon muodostama gravitaatiolinssi näyttäisi niiden sulautuessa.

Simulating Extreme Spacetimes (siirryt toiseen palveluun) (SXS) -projektin tutkijat tutkijat ottivat 2MASS-projektin (siirryt toiseen palveluun) keräämät tiedot yötaivaan valo- ja infrapunalähteistä kirkkauksineen ja punasiirtymineen. Sen jälkeen kuvaan laskettiin mustaksi aukoksi yltävän massan vaikutus valon kulkuun ja sitten vielä toinen. Aukot laitettiin kiertämään toisiaan sulautumiseen päätyvillä kiertoradoilla.

Kaiken mahdollisen mustan aukon ympärillä tapahtuvan avaruuden kaareutumisen laskeminen olisi supertietokoneellekin ylitsepääsemätön tehtävä. Niinpä tutkijat pienensivät laskettavan datan määrää kuvittelemalla katsojan paikalle kameran ja laskemalla valonsäteiden kulun takaperin jokaisesta kameran pikselistä. Näin saatiin juuri kuvanmuodostukseen tarvittava määrä dataa ilman ylimääräistä työtä.

Kordinaatisto menee mutkille

Painovoima kaareuttaa aika-avaruutta ympärillään. Sen näkee helpoiten säteilyn, kuten valon, käyttäytymisestä massiivisten kappaleiden läheisyydessä. Tätä valon taipumista kutsutaan gravitaatiolinssiksi. Oikealla etäisyydellä hyvin massiivisesta kappaleesta oleva havaitsija pystyy näkemään kauas kappaleen taakse, kun se painovoimallaan keskittää valon reunoiltaan havaitsijan silmään jättimäisen linssin tavoin.

Yhden mustan aukon aiheuttama gravitaatiolinssi. Suunnilleen aukon takana sijaitsevat kohteet, mm. sinisen ja keltaisen tähden muodostama pari, kertautuvat aika-avaruuden kaareutumisen vuoksi. Kuva: Black-holes.org. Lisenssi: CC BY-NC (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/deed.fi)

Kaikki massa vaikuttaa sitä ympäröivään aika-avaruuteen. Selvästi havaittavaa kaareutumista varten tarvitaan kuitenkin hyvin painavia kappaleita. Esimerkiksi Auringon suurin havaittu vaikutus valoon on vain noin 0,003 asteen muutos suunnassa.

Sen sijaan mustien aukkojen massa on jo lähtökohtaisesti niin suuri, että liian lähelle joutuva valokin jää sen vangiksi. Raja-alueelle joutuva valo taas voi joutua mustan aukon kiertoradalle tai radan muodosta riippuen kiertää aukkoa ennen lähtemistään uuteen suuntaan.

Näin mustan aukon tapahtumahorisontin voimakkaasti kaareutunut lähialue toimii kuin prisma, joka suuntaa valoa uudelleen. Kyse ei kuitenkaan ole pelkästä valonsäteen uudelleenohjauksesta. Sen sijaan valo - niinkuin mikä tahansa aukon lähelle joutuva - kulkee suoraan koordinaatistossa ja koko koordinaatisto on mutkilla.

Kulmakarvat ja punasirtymän häiriö

Gravitaatiolinssi kuitenkin vääristää kuvaa monin eri tavoin. Yksikin aukko synnyttää ympärilleen Einsteinin kehänä tunnetun "sädekehän", jossa itse asiassa näkyvät suoraan aukon takana sijaitsevat kohteet ympyräksi venytettynä. Sivummalla aukon takana sijaitsevat kohteet puolestaan kertautuvat toisella puolella kehää. Lisäksi kehä heijastaa sisempänä ja himmeämpänä koko ympäröivää universumia. Tarpeeksi tarkka kamera näkisi kehässä myös tarkkailijan itsensä valossa, joka kiertää aukon ja palaa takaisin.

Selvennyksen vuoksi tutkijat sovelsivat mallinnustaan myös kuvaan Cornellin yliopistosta. Kellotorni kertautuu aukon molemmin puolin ja aukot myös synnyttävät toisilleen "kulmakarvat". Kuva: Black-holes.org. Lisenssi: CC BY-NC (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/deed.fi)

SXS:n kahden aukon mallinnuksessa huomiota herätti aukkojen reunoille syntyvä ”kulmakarva”, joka on itse asiassa vääristynyt kertauma toisesta aukosta. Jos kameran tarkkuus riittäisi tarkentamaan aina lähemmäs, kulmakarvan päästä löytyisi aina uusi samanlainen kertauma. Samalla niiden välissä on aina litistyneemmässä muodossa kuva ympäröivästä maailmankaikkeudesta.

Tutkijat myös huomauttavat kiinnostavasta yksityiskohdasta kahden aukon järjestelmässä. Osa aukkojen välissä pujotelleista valohiukkasista menetti kirkkauttaan suhteessa punasiirtymään enemmän kuin normaalisti. Valo saapui mallissa kameraan himmeämpänä kuin pitäisi suhteessa väriin tai vähemmän punaisena kuin pitäisi suhteessa kirkkauteen.

Tutkimusryhmä selittää aika-avaruuden monimutkaista kaareutumista kaavakuvalla, jossa katsojaa ympäröivä universumi on jaettu neljään eri lohkoon (1) ja katse kohdistettu lohkojen leikkauspisteeseen (2). Kahden toisiaan kiertävää mustaa aukkoa vääristävät aika-avaruutta kuten yksikin, mutta lisäksi niiden välinen tila käätyy vielä uusille luokille. Kummankin aukon kylkeen muodostuu "kulmakarvaksi" nimetty kertauma toisesta aukosta (3). Tilanteessa, jossa aukot ovat peräkkäin katsojaan nähden, toinen aukoista näyttäytyy rinkulana (4). Kuva: Yle Uutisgrafiikka, lähde: What would a binary black hole merger look like? -tutkimus, California Institute of Technology & MIT Kavli Institute & Cornell University

Apua aaltojen löytymiseen

Hienojen kuvaesityksen lisäksi SXS:n mallinnusten toivotaan auttavan luomaan erilaisten mustien aukkojen "sormenjälki", jonka avulla niitä voitaisiin havaita.

Lisäksi tarkoitus on tuottaa tarkempaa numeerista tietoa observatorioille, jotka yrittävät havaita painovoima-aaltoja. Tällaisia ovat mm. lasermittaukseen perustuvat LIGO (siirryt toiseen palveluun), LISA (siirryt toiseen palveluun), VIRGO (siirryt toiseen palveluun) ja KAGRA. (siirryt toiseen palveluun) Toistaiseksi suoraa havaintoa ei vielä ole saatu.

Painovoima-aallot ovat yksi kosmologian innokkaimmin etsityistä ilmiöistä ja toisiaan kiertävät mustat aukot ja niiden sulautuminen ovat teorian mukaan erittäin voimakas painovoima-aaltojen lähde.