Mustast august puhtalt välja

2. jaan 2017

See teaduskirjanik Tiit Kändleri esse ilmus Maalehes 17. novembril 2016. aastal.

 

Universumis esinevate mustade aukude matemaatika on avaldanud uusi võimalusi, et nood polegi üksikud ja päris väljapääsmatud. Ning võivad olla omavahel ühenduses.

 

Kui teil mõni asi ära kaob, on tulutu seda paaniliselt otsima hakata. Laske asjal olla. Varem või hiljem ilmub ta ootamatus kohas teile välja. Kui see asi pole just musta auku kukkunud.

Must auk on kõige süngem objekt universumis. Must auk tõmbab suure jõuga enese poole nii kosmilist tolmu kui asteroide kui planeete kui tähti. Mis musta auku kukub, see meile enesest enam teateid otse anda ei saa. Isegi valgus, kui see on musta auku sattunud, ei pääse sealt enam välja.

Must auk tekib, kui täht on muutunud liiga suureks ja omaenese külgetõmbejõust kokku variseb. Aga mustad augud võisid tekkida ka universumi esimesel ajahetkel, suure pauguga koos. Musta augu ja ülejäänud universumi vahel on piir nagu mere ja taeva vahel: horisont, mida kutsutakse sündmuste horisondiks. Musta auku saab näha kaudselt selle järgi, et see painutab kaugetelt tähtedelt lähtuvaid valguskiiri või siis kui must auk omaenese raskuse all kokku kukub või kui kaks musta auku kokku põrkavad. Päike saaks mustaks auguks, kui see tõmbuks kokku paarikilomeetrise läbimõõduga keraks. Kuu massiga musta augu läbimõõt oleks kümnendik millimeetrist, enamik musti auke on aga miljoneid ja miljardeid kordi Päikesest suuremad.

Mustal augul on vaid kolm mõõdetavat omadust: mass, elektrilaeng ja liikumishulga moment ehk spinn, mis iseloomustab pöörlemise kiirust.

Meile kõige olulisem must auk asub meie galaktika, Linnutee keskel.

 

Lohutu või tohutu?

Päris lohutu pilt neist meie jaoks mõistetamatutest kosmilistest kehadest. Või ei olegi need kehad, raske on nime anda. Igatahes on teadmine mustadest aukudest tulnud astronoomidele esmalt matemaatikute arvutustest. Ja alles hiljem, palju hiljem on saadud vaatustest tõendeid, et need on olemas ja käituvad nagu matemaatika on ennustanud. See ei tule üllatuseks: on ju ka kvantmehaanika inimese vaatevälja tulnud esmalt matemaatika läbi. Nagu kogu osakeste sümmeetriline maailm. Matemaatikaid on palju, neid saab luua lõpmatul moel ja igaüks neist on omamoodi kooskõlaline. Kuid mis üllatav – mitmed matemaatikad on sobinud universumi ülesehitust kirjeldama nagu rühmateooria selle sümmeetrilisust.

Musta augu võimalikkuse arvutas üldrelatiivsusteooria lahenditest saksa matemaatik Karl Schwarzschild juba 1916. aastal, ent seda peeti kaua matemaatiliseks kurioosumiks. Tihedaimate tähtede, kümnekilomeetrise läbimõõduga ning kahe Päikese massiga neutrontähtede avastamisega 1970. aastatel hakati uskuma ka mustade aukude esinemise võimalusesse.

Kui must auk oma elu lõpetab, siis aurustub ta äkitselt ja sellega kaasneb ere välgatus. Ehkki selliseid välgatusi on kosmosest otsitud, ei ole neid veel leitud. Nõnda on mustad augud vaid kaudselt näha olnud. Kui gaasiosakesed kukuvad musta auku, hakkab gaasipilv pöörlema nagu vesi, mis vanniaugust alla voolates pöörleb. Musta augu horisondi lähedane gaas muutub nii kuumaks, et hakkab kiirgama röntgenkiirgust, mida saab teleskoopidega mõõta. Seda 2011. aastal ka tehti. 1995. aastast alates hakati avastama tähti, mis tiirlevad ümber nähtamatu musta augu ja 2015. aastal registreeriti kahe musta augu ühinemisest kiirgunud gravitatsioonilained, millest tegin juttu 14. märtsi Maalehes nr 12.

Kuid must auk ei ole päris must. 1974. aastal tõestas kuulus inglise füüsik Stephen Hawking matemaatiliselt, et musta augu piiril tekivad nagu kvantmaailmas ehk väga väikeste osakeste maailmas ikka osakese ja antiosakese paarid, kaks tekkinud osakest kihutavad teineteisest eemale. Ühe neelab must auk, teine aga jääb hulpima meie universumisse. See on esimene leevendus.

Teine leevendus on samuti matemaatiliselt tõestatud. Alul arvati, et musta augu piiril ehk nagu öeldakse sündmuste horisondil, seal, mille läbi minemise järel enam midagi väljapoole näha pole, rebitakse jalad ees sukelduv kosmonaut muudkui pikemaks ja pikemaks, kuna tema jalgu rebitakse musta augu südame ehk singulaarsuse poole tugevamalt kui pead ja lõpuks läheb kosmonaut pooleks ja lõpp on lool. Tema kell seiskub, tema aeg jääb seisma ja kui keegi väljastpoolt vaatab musta auku sukeldujat, siis tundub talle, et too jääb igaveseks musta augu horisondi kohale hõljuma, kuid selle hõljuja kujutis muutub üha tuhmimaks ja tuhmimaks ja kaob silmist ning  näha on vaid musta auku. Auku kukkuja näeb kukkudes kogu aeg meie universumis olevat sõpra ning tema ei tunne, et on horisondi läbinud, kui ta seda just ei arvuta. Siis sulgub väline universum tema taga.

Must auk.Graf

Leevendavad arvutused

Nüüdseks on tõestatud, et erilisest mustast august, mis ei pöörle, on siiski üks väljapääs: kui leiame üles teise universumisse siirduva ussiaugu. Kui siseneme musta auku, siis alul näeme seda kui musta ketast tähistaeva taustal, see ketas muutub üha pisemaks ja pisemaks ning edasi kukkudes näeme äkitselt musta laigu asemel heledat valgust, mis tähendab, et siseneme sisemisse horisonti ehk valgesse auku. Ruum kõverdub ning et näha seda täpselt, peaks meil olema kolm silma. Kuid kui siseneme valgesse auku, siis oleme sisenenud ussiauku, mis viib meid teise universumisse. Enne sinna jõudmist aga pöördub aeg ning me võime näha meie universumi tagurpidist ajalugu, kui selja taha vaataksime. Seda juhul, kui mingi imenipiga kannataksid meie silmad seda valge augu lõpmatult heledat sära. Kui oleme jõudmas valge augu horisondile, näeme oma ümber värvikirevat ruumi ja enne, kui arugi saame, olemegi teises universumis. Kogu see ussiaugu läbimine on läbi mängitud matemaatiliselt, arvutiga rehkendades, kuid nagu öeldud, me ei tea kunagi, millal matemaatika saab tõelisuseks ja millal ei saa.

Kolmanda leevenduse esitas paari aasta eest USAs Princetonis asuva Arenenud Uuringute instituudi teoreetiline füüsik John Maldacena. Tema töö näitas, et kvantmehaaniline osakeste põimumine ja ussiaugud, mõlemad veidrad moodustised, on omavahel seotud. Põimumise tõttu jäävad osakesed, mis tekkisid näiteks üheskoos, omavahel seotuks, kui kaugel siis need teineteisest ka edaspidi ei oleks. Sellest veidrast nähtusest kirjutasin 19. mai Maalehes nr 20. Kui on tõesti nõnda, nagu Maldacena ja tema kolleegid väidavad, siis selgub, et põimumist põhjustab aegruum ise. Ja et põimunud objektid võivad olla omavahel ühendatud viisil, mis on palju vähem fantastiline, kui siiani arvati.

Mustal augul on kaks erinevat piirkonda: välimus, kus ruum on kõverdunud, ent objektid ja teated saavad sellest ometi põgeneda, ja sisemus, mis asub naasmisvõimatuse piiri taga. Välimus ja sisemus on eraldatud sündmuste horisondi läbi. Ent juba 1935. aasta Albert Eisteini ja Natan Roseni töödest hakkas selguma ootamatu võimalus, mida on 1960. aastatest alates üha tõsisemalt võtma hakatud. Nimelt see, et kaks musta auku võivad omavahel olla ühendatud silla kaudu, mida füüsikud oma naljasoonele omaselt on hakanud nimetama ussiaukudeks.  Samasugused ussiaugud ühendavad multiversumite teoorias erinevaid universumeid.

Ussiauk ei sisalda erinevalt mustast august ainet – see on vaid kõverdunud aegruum. Kahte musta auku ühendav ussiauk muutub ajas, see peeneneb kiiresti ja katkeb. Nõnda ei saaks seda mööda reisida. Kuid et mustad augud on väljastpoolt vaadates nagu kvantsüsteemid ja käituvad kvantmehaanika kohaselt, siis ei sega miski neid omavahel põimumast, arvab Maldacena ajakirjas Scientific American. Kvantpõimumine loob mustade aukude vahelise sideme. See tulemus on üllatav, kuna siiani on arvatud, et põimumine toimub ilma füüsilise ühenduseta. Kuid kaks teineteisest kaugel asuvat musta auku võivad olla ühenduses. Nõnda arvab Maldacena, et kvantpõimumise puhul on tegu geomeetrilise ühendusega.

Praegu on see tulemus veel spekulatsioon, ent nagu on vahel juhtunud varemgi, võidakse säherdused spekulatsioonid võtta reaalsuse pähe nagu juhtus Hawkingi kiirgusega. Ja võib-olla kunagi saab seda teooriat ka vaatlustel kontrollida, nii nagu saadi Päikesevarjutuse ajal kontrollida Einsteini alul uskumatuna tundunud ennustust ruumi kõverdumisest gravitatsiooniväljas.

 

Kommenteeri

Telli Teadus.ee uudiskiri