Mustien aukkojen elinkaarta tarkastelevan nykyfysiikan mukaan tietynlaiset mustat aukot räjähtävät kuollessaan.
Tutkijapiireissä on elänyt pitkään käsitys, että tällaisia, primordiaalisten mustien aukkojen kuolinräjähdyksiä tapahtuisi arviolta noin 100 000 vuoden välein.
Nyt yhdysvaltalaisen Massachusettsin yliopiston tutkimus esittää, että räjähdyksiä tapahtuisi jopa kymmenen vuoden välein, ja että olisi olemassa noin 90 prosentin mahdollisuus sille, että tällainen räjähdys havaittaisiin Maassa asti seuraavan kymmenen vuoden sisällä.
Massachusettsin yliopiston fyysikkonelikon teoria on julkaistu Physical Review Letters -tiedejulkaisussa tällä viikolla.
Perustavanlaatuisena ongelmana on, että primordiaalisista mustista aukoista ei ole tehty koskaan suoria havaintoja. Niiden olemassaolo perustuu teoriaan, jonka brittiläinen fyysikko ja kosmologi Stephen Hawking (1942–2018) esitti ensi kertaa 1970-luvulla.
Primordiaalinen musta aukko eli PBH (primordial black hole) on siis teoreettinen musta aukko, joka ei olisi syntynyt tähden kuolinräjähdyksessä eli supernovaräjähdyksessä kuten tavanomainen musta aukko, vaan alkuräjähdystä heti seuranneissa maailmankaikkeuden alkukantaisissa olosuhteissa 13,8 miljardia vuotta sitten.
PBH-aukot olisivat teorian mukaan tavanomaisten aukkojen tapaan niin tiheitä massakeskittymiä, että edes valo ei pääse niitä pakoon. Mikä erottaisi ne tavanomaisista mustista aukoista olisi kuitenkin se, että niiden on arvioitu olevan tunnettuja mustia aukkoja huomattavasti pienempimassaisia.
Hawking osoitti tutkimuksissaan, että mustilla aukoilla on lämpötila, ja teoretisoi samalla niiden säteilevän ympäröivään avaruuteen hitaanlaisesti hiukkasia, jos niiden lämpötila nousisi tarpeeksi korkeaksi. Tätä teoreettista hiukkasvirtaa kutsutaan Hawkingin säteilyksi ja sen katsotaan syntyvän mustan aukon tapahtumahorisontin läheisyydessä, jossa esiintyy kvanttimekaanisia ilmiöitä. Tällaista säteilyä ei ole vielä koskaan havaittu.
Tapahtumahorisontti on alue mustassa aukossa, josta edes valo ei pääse pakenemaan.
”Mitä kevyempi musta aukko on, sitä kuumempi sen pitäisi olla ja sitä enemmän sen pitäisi säteillä hiukkasia. PBH-aukkojen höyrystyessä niiden massa pienenee ja ne kuumenevat kuumenemistaan ja säteilevät yhä enemmän kunnes räjähtävät. Kyse on Hawkingin säteilystä, ja teleskooppimme kykenisivät havaitsemaan sen”, kertoo tutkijaryhmän jäsen, apulaisprofessori Andrea Thamm tiedotteessa.
”Tiedämme, kuinka havainnoida tätä Hawkingin säteilyä ja nykyiset teleskooppimme riittävät sen havaitsemiseen. Ainoat mustat aukot, jotka voivat räjähtää tänään tai lähitulevaisuudessa ovat PBH-aukkoja, joten jos havaitsemme Hawkingin säteilyä Maassa, tiedämme että katsomme räjähtämässä olevaa PBH-aukkoa”, selittää tutkijaryhmän jäsen, tutkijatohtori Joaquim Iguaz Juan.
Räjähtävän primordiaalisen mustan aukon ja siitä lähtevän Hawkingin säteilyn havaitseminen mullistaisi nykyfysiikan kertaheitolla tutkijaryhmän mukaan.
Se tarjoaisi tutkijoille ryhmän mukaan koko listan kaikista maailmankaikkeudessa olevista subatomisista hiukkasista, siis myös niistä, joita tiede ei tunne, ja niistä, joiden olemassaolo nojaa vielä toistaiseksi olettamuksiin, kuten pimeän aineen muodostavista hiukkasista.
Tutkijat väittävät, että suora havainto räjähtävästä PBH-aukosta ja Hawkingin säteilystä vastaisi ihmiskunnan olemassaolon ydinkysymykseen siitä, mistä kaikki olemassa oleva on tullut.
Heidän arvionsa siitä, että PBH-aukon räjähdys nähtäisiin seuraavan kymmenen vuoden aikana, perustuu vaihtoehtoiseen hypoteettiseen malliin mustien aukkojen sähkövarauksesta.
Vallitseva käsitys mustien aukkojen, myös PHB-aukkojen sähkövarauksesta on se, että niillä ei ole sähkövarausta. ”Meillä on erilainen olettamus. Tutkimuksemme osoittaa, että jos primordiaalinen musta aukko on muodostunut pienen pimeän sähkövarauksen kera, tulisi aukon olla mallin ennusteen mukaan tilapäisesti vakautunut ennen räjähtämistään”, kuvailee tutkimusta johtanut apulaisprofessori Michael Baker tiedotteessa.
Bakerin mainitsema malli on nimeltään ”dark-QED toy model”, joka nojaa hypoteesiin hyvin raskaasta elektronihiukkasesta, jota tutkijat kutsuvat ”pimeäksi elektroniksi” (johon viittaa myös Bakerin mainitsema ”pimeä sähkövaraus”). Baker katsoo kollegoineen tutkimusdatan nojalla, että niin sanotulla pimeällä sähkövarauksella varustettujen primordiaalisten mustien aukkojen mahdollisesti havaittavia räjähdyksiä esiintyisi kerran kymmenessä vuodessa.
Tilaa nyt TM:n uusi Tiede & teknologia -uutiskirje, niin saat kerran viikossa tärkeimmät tieteen ja teknologian uutiset!