Kysymyksiä ja vastauksia jättiläisistä avaruudessa

Mikä on musta aukko?

Mustaksi aukoksi kutsutaan aika-avaruuden aluetta, jossa painovoima on niin voimakas, ettei yksikään hiukkanen tai edes sähkömagneettinen säteily pysty pakenemaan sieltä. Mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Tapahtumahorisontin sisällä mustan aukon painovoiman aiheuttama aika-avaruuden kaareutuminen on niin äärimmäistä, että aukko ikään kuin sulkee itsensä pois ympäröivästä maailmankaikkeudesta.

Musta aukko syntyy, kun riittävän suuri massa puristetaan hyvin pieneen tilavuuteen – omasta auringostamme saisi mustan aukon puristamalla sen säteeltään noin kolmen kilometrin kokoiseksi. Tähtitieteilijät ovat löytäneet avaruudesta kahdentyyppisiä mustia aukkoja: tähdenmassaisia mustia aukkoja, jotka syntyvät massiivisen tähden sisäosien romahtaessa supernovaräjähdyksessä, sekä niin kutsuttuja supermassiivisia mustia aukkoja, jotka sijaitsevat galaksien keskustoissa. Supermassiiviset mustat aukot voivat painaa jopa useiden miljardien aurinkojen verran.

Mikä on Event Horizon Telescope?

Event Horizon Telescope (EHT) on kansainvälinen yhteistyöhanke, joka perustettiin tuottamaan historian ensimmäinen kuva mustasta aukosta käyttämällä pitkäkantainterferometriaa (Very Long Baseline Interferometry VLBI). Se on tekniikka, jolla useat eri puolilla maapalloa sijaitsevat radioteleskoopit yhdistetään mahdollisimman tarkan kuvan saamiseksi kaukaisesta kohteesta. Yhdessä nämä teleskoopit ovat erotuskyvyltään kuin yksi maapallon kokoinen teleskooppi. Aalto-yliopiston ja Turun yliopiston lisäksi EHT:ssa on mukana noin sata tutkimusta tekevää organisaatiota ympäri maailmaa, tutkijoita on mukana yli 350. Rahoittajia on useita kymmeniä. Suomessa hankkeessa tehtävää tutkimusta on rahoittanut Suomen Akatemia.

Event Horizon Telescope on tutkinut Linnunratamme keskustassa olevaa Sagittarius A* -nimistä mustaa aukkoa, joka on neljän miljoonan auringon massainen ja sijaitsee 27 000 valovuoden päässä Maapallosta. Vuonna 2019 otettu ensimmäinen kuva mustasta aukosta otettiin kuitenkin toisesta tutkitusta kohteesta. M 87 -galaksin keskellä oleva musta aukko valikoitui kuvattavaksi kohteeksi, koska suuremman massansa (kuusi miljardia auringon massaa) ansiosta sen tapahtumahorisontin näennäinen koko taivaalla on samaa luokkaa kuin Sagittarius A*:llä, vaikka se sijaitseekin huomattavasti kauempana eli 55 miljoonan valovuoden päässä. Suurempi tapahtumahorisontin koko teki M87:stä helpommin kuvattavan kuin Sagittarius A*:stä, koska mustaa aukkoa ympäröivän säteilevän kaasun kiertoaika aukon ympäri riippuu mustan aukon koosta. M87:ssä tämä kiertoaika on pitkä verrattuna EHT:n ottaman kuvan ”valotusaikaan”, joka on noin 8-12 tuntia kohteesta riippuen. Sagittarius A*:ssä säteilevän kaasun kiertoaika aukon ympäri on vain minuutteja, mikä saa kohteen muuttumaan ”valotuksen” aikana ja tekee kuvanmuodostamisesta haasteellista. EHT:n tutkijat ovat kuitenkin onnistuneet kehittämään menetelmiä, joilla nämä haasteet on saatu voitettua ja myös Sagittarius A*:stä on nyt saatu kuva.

Mikä on ESO-keskus ja mikä sen merkitys on tässä tutkimuksessa?

Suomi liittyi 7.7.2004 Euroopan eteläisen observatorion (European Southern Observatory; ESO) jäseneksi. Vuonna 1962 perustetun ESO:n tavoitteena on vahvistaa ja organisoida yhteistyötä tähtitieteen tutkimuksessa. ESO:n päämaja on Garchingissa, Saksassa ja se operoi kolmea huipputasoista observatoriota Chilessä. ESO:lla on nykyään 15 jäsenmaata.
Aalto-yliopisto, Turun yliopisto, Helsingin yliopisto ja Oulun yliopisto perustivat uuden tähtitieteen tutkimuksen kansallisen tutkimuslaitoksen, Suomen ESO-keskuksen, vuonna 2010.  ESO-keskus sijaitsee Tuorlan observatorion yhteydessä. ESO:n jäsenmaksu on budjetoitu Suomen Akatemian kautta.
Miten mustasta aukosta voidaan ottaa kuva, kun mustat aukot eivät säteile valoa?

Nimensä mukaisesti musta aukko itsessään ei säteile. Mustan aukon ympäristö kuitenkin voi säteillä voimakkaasti, mikäli aukkoon putoaa kaasua. Kaasun kiertäessä aukkoa vinhalla nopeudella se kuumenee voimakkaasti ja säteilee. Mustan aukon painovoimakenttä taivuttaa tämän valon kulkua saaden osan fotoneista kiertämään aukon ympäri. Lopputuloksena on kirkas rengas, jonka keskellä näkyy tumma varjo – tapahtumahorisontin siluetti. Varjo on noin kaksi ja puoli kertaa itse tapahtumahorisonttia suurempi ja sen koko riippuu pääasiassa mustan aukon massasta sekä pienemmässä määrin siitä, kuinka nopeasti aukko pyörii.

Mikä on tapahtumahorisontti?

Tapahtumahorisontti on se mustan aukon raja, jonka sisäpuolelta musta aukko imee itseensä kaiken, myös valon, eli puhutaan mustan aukon tapahtumahorisontista.

Miksi mustia aukkoja kannattaa tutkia?

Mustan aukon äärimmäinen painovoimakenttä antaa mahdollisuuden testata Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa – yhtä nykyfysiikan kulmakivistä – olosuhteissa, joita maanpäällisistä laboratorioista tai edes omasta aurinkokunnastamme ei löydy.

Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa painovoiman aika-avaruuden kaareutumisena ja viimeisen sadan vuoden ajan se on selvinnyt kirkkaasti kaikista kokeellisista testeistä. Tavalliselle ihmiselle yleinen suhteellisuusteoria näkyy helpoiten kännyköistäkin tutusssa GPS-paikannuksessa: mikäli suhteellisuusteoriaa ei otettaisi huomioon GPS-satelliittien kelloissa, järjestelmän paikannusvirhe kasvaisi jo yhdessä vuorokaudessa merkittävästi.
Ei ole kuitenkaan selvää, että suhteellisuusteoria pätee myös hyvin voimakkaissa painovoimakentissä kuten mustan aukon lähellä. Mahdollinen poikkeama suhteellisuusteorian ennusteista voisi johdattaa fyysikot vielä syvemmin maailmankaikkeutta kuvaavan teorian jäljille.

Yleisen suhteellisuusteorian testien lisäksi Event Horizon Telescope antaa mahdollisuuden tutkia mustaan aukkoon putoavan kaasun käyttäytymistä aivan tapahtumahorisontin lähellä. Tämän odotetaan antavan vastauksia sellaisiin kysymyksiin kuten, miten supermassiivisten mustien aukkojen synnyttämät valtavat plasmasuihkut saavat alkunsa.

Miten kuva mustasta aukosta otetaan?

Ongelma mustan aukon varjon kuvaamisessa on sen pienuus. Suurimmatkin mustat aukot mahtuisivat aurinkokuntamme sisälle ja kun etäisyydet niihin ovat valtavia, varjon erottamiseksi tarvitaan pari tuhatta kertaa Hubble-avaruusteleskooppia tarkempi havaintolaite. Nyt saadut kuvat on mahdollistanut tekniikan, laitteiden ja analysointimenetelmien kehittyminen.
Vuonna 2017 yhteensä kahdeksan radioteleskooppia vuortenhuipuilla Chilessä, Meksikossa, Havaijilla, Arizonassa, Espanjassa sekä Etelämantereella kuvasivat viiden päivän ajan M87:n ja Sagittarius A:n mustia aukkoja. Pitkäkantainterferometriaksi (Very Long Baseline Interferometry, lyhyesti VLBI) kutsutulla tekniikalla nämä teleskoopit yhdistettiin yhdeksi jättimäiseksi, virtuaaliseksi teleskoopiksi. Se on lähes maapallon kokoinen ja niin tarkka, että sen erotuskyvyllä voisi esimerkiksi lukea Kanarialla olevaa sanomalehteä Helsingistä käsin.

Event Horizon Telescopen kuva on vaatinut näiden kahdeksan radioteleskoopin erittäin tarkkaa tahdistamista, minkä vuoksi jokaiselle teleskoopille on asennettu huipputarkat atomikellot. Teleskooppien signaalit on tallennettu tuhannelle erikoisvalmisteiselle kovalevylle, jotka on havaintojen jälkeen kuljetettu kahdelle supertietokoneelle signaalien yhdistämistä varten. Tämän jälkeen yhdistetyistä signaaleista on vielä pitänyt laskea kuva. Tämäkään ei ollut helppoa, sillä Event Horizon Telescopen kaltainen interferometri ei muodosta kuvaa samalla tavalla suoraan kuten esimerkiksi kamera. Koska radioteleskooppeja verkostossa on vain muutama, on sillä havaitseminen kuin yrittäisi ottaa kuvaa teleskoopilla, jonka peili on ehjä vain muutamasta pienestä paikasta. Niinpä kuvan muodostamiseen tarvitaan kehittyneitä algoritmeja ja tutkijoiden on täytynyt olla äärimmäisen huolellisia varmistuakseen kuvan oikeellisuudesta.

Ovatko kuvat mustasta aukosta jatkossa arkipäivää?

Valitettavasti emme tällä hetkellä tiedä muita supermassiivisia mustia aukkoja, jotka olisivat riittävän massiivisia ja riittävän lähellä meitä, jotta niiden näennäinen koko taivaalla olisi riittävän suuri kuvan tuottamiseen. Etsintä kuitenkin on käynnissä ja täysin toivoa ei ole tämän suhteen heitetty. Lisäksi EHT:n erotuskykyä olisi tulevaisuudessa mahdollista parantaa lähettämällä antenni avaruuteen. Tällöin voisimme kuvata myös hieman pienempiä mustia aukkoja.

Mikä on Aalto-yliopiston Metsähovin radio-observatorion merkitys tässä tutkimuksessa?

Metsähovi on Suomen ainoa tähtitieteellinen radio-observatorio. Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulun erillislaitoksena toimiva observatorio sijaitsee Kirkkonummella, noin 30 kilometrin päässä Otaniemen kampuksesta. Se on myös yksi Aalto-yliopiston tutkimuksen ja opetuksen suurista infrastruktuureista. Observatorion pääinstrumentti, 14-metrinen radioteleskooppi, on käytössä kellon ympäri vuoden jokaisena päivänä, ja sen tuottamaa havaintodataa käytetään mm. aktiivisten galaksien, Auringon, ja maapallon pyörimisen tutkimiseen.

Event Horizon Telescope -hankkeessa Metsähovin radioteleskooppi ei ollut mukana keräämässä dataa, koska se toimii hieman pidemmillä radioaalloilla kuin EHT-projektissa tarvittu 1.3 millimetriä. Metsähovin vanhempi tutkija Tuomas Savolainen sekä Metsähovissa työskentelevä Suomen ESO-keskuksen tutkijatohtori Venkatessh Ramakrishnan ovat osa EHT:n tutkijayhteisöä ja he olivat mukana analysoimassa kahdeksan eri teleskoopin yhdistettyä dataa ja muodostamassa mustan aukon kuvaa tämän datan perusteella.

Lisäksi Metsähovi on osallistunut EHT:n käyttämän havaintotekniikan kehittelyyn millimetriaallonpituuksilla jo kehitystyön varhaisvaiheissa 1990-luvulla. Tuolloin Metsähovissa tehtiin pitkäkantainterferometriakokeita 2 mm ja 3 mm aallonpituuksilla. Nykyisin Metsähovin radio-observatorio on osa verkostoa, joka tekee säännöllisiä pitkäkantainterferometriahavaintoja 3 mm aallonpituudella.