Musta rengasaukko

Viisiulotteinen musta aukko voi "murentaa" suhteellisuusteorian

Tutkijat ovat osoittaneet, että muodoltaan omalaatuinen musta aukko voi tehdä Albert Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian epäkurantiksi. Jotta jännitys ei käy sietämättömäksi, todettakoon samaan hengenvetoon, että moisia kiusankappaleita voi olla olemassa ainoastaan maailmankaikkeudessa, jossa on vähintään viisi ulottuvuutta.

Cambridgen yliopiston ja Lontoon Queen Mary -yliopiston tutkijat ovat mallintaneet mustan aukon, joka on hyvin ohut rengas. Rakenteesta on seurauksena, että renkaaseen voi muodostua pullistumia, joita yhdistävät säikeet käyvät yhä ohkaisemmiksi. Kun säikeet lopulta katkeavat, renkaasta syntyy pieniä erillisiä mustia aukkoja.

Renkaanmuotoiset musta aukot "löydettiin" teoreettisesti jo vuonna 2002, mutta aiemmin sellaisten dynamiikkaa ei ole onnistuttu mallintamaan edes supertietokoneilla.

Jos tällaisia mustia aukkoja todella olisi olemassa, niiden singulariteetti olisi "alaston", jolloin yleisen suhteellisuusteorian lausekkeet eivät enää päde. Vaikka Einsteinin luomus on todettu lukemattomissa kokeissa ja testeissä päteväksi, singulariteetit ovat suhteellisuusteorian kannalta ongelmallisia.

Teorian mukaan singulariteetteja esiintyy mustien aukkojen keskellä, tapahtumahorisontin ympäröiminä.

"Niin kauan kuin singulariteetit pysyttelevät piilossa tapahtumahorisontin tuolla puolen, niistä ei ole harmia ja suhteellisuusteoria toimii – 'kosmisen sensuurin otaksuma' pitää siitä huolen", toteaa Markus Kunesch Cambridgen yliopistosta.

"Kunhan otaksuma pätee, voimme turvallisin mielin laatia ennusteita mustien aukkojen ulkopuolisesta tulevaisuudesta."

Entä jos singulariteetti onkin tapahtumahorisontin ulkopuolella? Silloin se olisi näkyvissä, mutta olisi myös kappale, joka on romahtanut äärettömään tiheyteen. Siinä pisteessä fysiikan lait eivät enää päde. Tällaisia alastomia singulariteetteja on arveltu esiintyvän korkeammissa ulottuvuuksissa.

"Jos alastomia singulariteetteja on olemassa, yleinen suhteellisuusteoria romahtaa", sanoo tutkimuksessa mukana ollut Saran Tunyasuvunakool niin ikään Cambridgesta.

"Ja jos yleinen suhteellisuusteoria romahtaa, kaikki kääntyisi päälaelleen, sillä sen avulla ei enää pystyisi laatimaan ennusteita – sitä ei enää voisi pitää teoriana, jolla voi selittää maailmankaikkeutta."

Einsteinin suhteellisuusteoria ei sanele, montako ulottuvuutta maailmankaikkeudessa voi olla, joten teoreettiset fyysikot ovat tarkastelleet sen toimintaa useammissa ulottuvuuksissa nähdäkseen, päteekö kosmisen sensuurin otaksuma.

Renkaanmuotoisten mustien aukkojen löytyminen viisiulotteisesta maailmankaikkeudesta innosti tutkijoita pohtimaan, voisivatko ne katketa, jolloin syntyisi alaston singulariteetti. Nyt on käynyt ilmi, että niin voi käydä, jos rengas on riittävän ohut.

COSMOS-supertietokoneella tehdyn mallinnuksen mukaan "mustat renkaat" ovat epävakaita. Samalla saatiin laskettua, mitä niille voi aikaa myöten tapahtua. Useimmiten rengas luhistuu palloksi, jolloin singulariteetti pysyy siististi tapahtumahorisontin sisällä.

Ainoastaan hyvin ohut rengas voi muuttua niin epävakaaksi, että siihen muodostuu yhä ohuempien säikeiden yhdistämiä pullistumia. Lopulta ne irtoavat toisistaan, jolloin tuloksena on alaston singulariteetti.

"Jos kosmisen sensuurin otaksuma ei päde useammissa ulottuvuuksissa, meidän täytyy miettiä, mitä erikoista on neliulotteisessa maailmankaikkeudessa, jotta se täällä pätee", pohtii Tunyasuvunakool.

Ellei se päde täälläkään, tarvitaan maailmankaikkeuden selittämiseen toinen teoria. Yksi ehdokas on kvanttigravitaatio. Kaukana singulariteetista sen approksimaationa on Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, mutta kvanttigravitaation avulla pystyttäisiin selittämään myös singulariteetin lähistöllä esiintyvät ilmiöt.

Simulaatiosta kerrottiin Cambridgen yliopiston uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä (maksullinen).

Kuva: Pau Figueras, Markus Kunesch, Saran Tunyasuvunakool / University of Cambridge


Juttuja samasta aiheesta