Joni Tammi: Mustat aukot - avaruuden ikuiset mysteerit

Tutkijat tuppaavat karttamaan mysteereitä. Tieteessä tavoitellaan tarkkuutta ja varmuutta, ja vaikka epävarmuutta hyväksytään, sillekin usein pyritään asettamaan tunnetut rajat. Samalla toivotaan, että viimeistään rahoituskauden lopussa pieni osa tuntemattomasta olisi muuttunut tunnetuksi.

Epäselvät asiat ovat sitä vain toistaiseksi, ja makrotalouden, ilmastomallien tai materiaalitekniikan suurimpiinkaan epävarmuuksiin harvoin liitetään asioita, joita emme voi koskaan tutkia. Tähtitieteilijä sen sijaan ei voi edes periaatteessa nähdä mustan aukon sisälle, ja kyseessä ei ole tulevaisuudessa ratkeava tekninen hankaluus, vaan maailmankaikkeuden rakenteessa oleva rajoite.

Mitä mustan aukon sisällä tapahtuu?

Lapsena ihmettelin, miten voi olla olemassa aukko, jonka sisältä mikään ei koskaan ikinä pääse pois, ei edes valo! Mitä jos se tulee täyteen? Mitä jos se tippuu isompaan aukkoon? Mitä siellä sisällä tapahtuu? Vanhemmat eivät olleet ihan varmoja, mutta auttoivat hankkimaan kirjastokortin ja tukivat opinnoissa, joten moneen kysymykseen on sittemmin löytynyt vastaus. 

Nykyisin ihmettelyni kohdistuu mustien aukkojen ominaisuuksiin, joita voidaan tutkia lähinnä tietokoneella laskemalla tai niiden harvojen kuvien avulla, joita mustista aukoista on saatu. Matematiikka ja tietokonemallinnus auttavat silloin, kun laboratoriotutkimukset tai arkijärjen käyttö ovat poissuljettuja. 

Mustien aukkojen läheisyydessä äärimmäinen painovoima muuttaa avaruuden rakennetta tavalla, joka ei vastaa mitään maapallolla nähtävää. Vain suhteellisuusteorian turvin voimme ymmärtää intuition vastaisia ilmiöitä, kuten ajan hidastumista tai tutun geometrian rikkoutumista. Koska ilmiöt kuitenkin vastaavat sekä teoreettisia ennusteita että havaintoja,  tiedetään ne kaikessa outoudessaan todellisiksi. 

Kokonaan oma lukunsa on mustan aukon sisusta, jossa aika ja avaruus menevät lopullisesti sekaisin. Avaruus tavallaan valuu mustan aukon keskustaan, jota lähestyttäessä hajoavat sekä aine että nykyfysiikan ymmärrys.

Samaan aikaan mustat aukot ovat avaruuden tusinatavaraa; niitä on miljardeja, ja uusi syntyy aina suuren tähden elämän päätteeksi. Mustien aukkojen määrä myös kasvaa jatkuvasti, ja ne ovat ikuisia. Kaukana tulevaisuudessa, kun viimeinenkin tähti on sammunut, avaruudessa asustaa vain lukematon määrä mustia aukkoja.

Mustat aukot auttavat ihmiskuntaa

Tähtitieteilijöitä motivoi usein puhdas kiinnostus ymmärtää taivaankappaleiden toimintaa, mutta usein astronomiasta tai avaruustutkimuksesta on hyötyä meille kaikille. Tiesitkö esimerkiksi, että wifi-yhteytesi hyödyntää alun perin mustien aukkojen havaitsemiseen kehitettyä tekniikkaa? Myös mustien aukkojen käyttöä energialähteenä on tutkittu jo pitkään; lähiavaruudesta löytyvä, tähdestä jäljelle jäänyt musta aukko olisi tulevaisuuden ihmisille varsinainen lottovoitto, ja keinotekoisesti luotu vain alkeishiukkasen kokoinen musta aukko ratkaisisi planeettamme energiantuoton pysyvästi.

Mustien aukkojen hyödyntäminen ei kuitenkaan ole vain 3000-luvun ihmisten hupia. Esimerkiksi moderni paikannus ja navigointi perustuvat osaltaan mustiin aukkoihin. Kvasaarit, eli kaukaisten galaksien keskustoissa olevat mustat aukot, toimivat äärimmäisen kaukaisina avaruuden kiintopisteinä. Vertaamalla maapallon liikkeitä suhteessa niihin saadaan määritettyä muun muassa Maan tarkka muoto ja liikkuminen avaruudessa. Kun radioteleskoopit ympäri maailmaa mittaavat kvasaarien paikkoja taivaalla, pystytään suunnat määrittämään tarkemmin kuin millään muulla menetelmällä. 

Näihin mittauksiin perustuu myös tarkka paikannus maan päällä. Maapallon pinta ei ole muuttumaton, vaan mannerlaattojen liikkeet, maanjäristykset ja jopa maan edelleen jatkuva nousu jääkauden jäljiltä vaikuttavat etäisyyksiin ja pinnanmuotoihin. GPS-satelliitit pystyvät kyllä kertomaan sijainnin metrin tarkkuudella, mutta millimetritason tarkkuus on mahdollista vain mustien aukkojen avulla. Avaruudessa liikuttaessa mustia aukkoja on käytetty navigoinnissa  jo pitkään.

Mustat aukot ovat siinä mielessä kiitollisia tutkimuskohteita, että niistä ei ehkä koskaan pystytä tietämään kaikkea. Ymmärrys kuitenkin kasvaa  jatkuvasti, ja mustien aukkojen  mysteerit  muuttuvat sen mukaan, onko ihmettelijänä lapsi vai aikuinen, koululainen vai alan tutkija. Mustista aukoista tuskin on koskaan meille mitään vaaraa, mutta uusia hyötyjä keksitään jatkuvasti. Mustista aukoista kannattaa oppia tykkäämään, koska ne eivät katoa minnekään.

Joni Tammi, astronomi, Metsähovin radio-observatorion johtaja, Aalto-yliopisto