Galaksien varhaisvaiheiden simulointikaan ei ole yksinkertaista, sillä yhdessä ainoassa galaksissa voi olla satoja miljardeja tähtiä, kaasusta ja pölystä puhumattakaan. Ja mitä suurempaa avaruuden aluetta mallinnetaan, sitä enemmän siinä on yksittäisiä galakseja.

Tähän saakka massiivisin simulaatio tehtiin vuonna 2015. Nyt tuota "Illustris"-mallia on laajennettu ja uuden sukupolven simulaatiolle on annettu nimeksi "Illustris, The Next Generation".

Sekä tarkkuutta että tilavuutta on kasvatettu siten, että kolmesta uudesta mallista laajimmassa on laskentapisteitä 30 miljardia ja tarkasteltava avaruuden alue on yhdeltä kantiltaan melkein miljardi valovuotta.

Simuloidussa kuvassa kaasun lämpötilaa on kuvattu eri väreillä ja painetta kirkkauden vaihteluilla. Punainen väri suurten galaksijoukkojen keskusalueilla tarkoittaa 10 miljoonaa kelviniä. Kirkkaimmat rakenteet puolestaan kuvaavat galaksienvälistä kaasua, joka puristuu kasaan kosmisten onkaloiden ja säikeiden raja-alueilla.

Hankkeessa on ollut mukana useita yliopistoja ja tutkimuslaitoksia, ja varsinainen laskenta on tehty Stuttgartissa yhdessä Gauss-superlaskentakeskuksen kolmesta laitoksesta. Tutkijaryhmällä oli käytössä kaikkiaan 24 000 laskentaydintä, joilla tietokoneaikaa kertyi yhteensä 35 miljoonaa tuntia. Nyt julkaistun simulaation pyörittäminen aloitettiin jo kaksi vuotta sitten maaliskuussa 2016.

Galaksien synnyn simulointi ei ole pelkkää teoreettista numeroiden murskaamista, vaan se perustuu myös havaintoihin. Tietokoneeseen on syötettävä alkuehdot ja -arvot sekä esimerkiksi tähtien syntyä ja supermassiivisten mustien aukkojen kasvua kuvaavat algoritmit.

Liekö kosmista huumorintajua, että Stephen Hawking oli syntynyt tasan 300 vuotta sen jälkeen kun Galileo Galilei kuoli, ja hän kuoli päivälleen 139 vuotta sen jälkeen kun Albert Einstein syntyi.

Maailmankaikkeus ei ole Hawkingin poismenosta moksiskaan, mutta meidän tietämyksemme maailmankaikkeudesta olisi valtaisasti nykyistä vajavaisempi, ellei Hawking olisi pohtinut sitä kymmeniä vuosia parantumattoman sairauden runtelemaan kehoon kahlitussa mielessään.

Hawkingilla todettiin liikehermoja rappeuttava amyotrofinen lateraaliskleroosi eli ALS-tauti hänen ollessaan 21-vuotias. Elinaikaa hänelle luvattiin korkeintaan kaksi vuotta.

Yli viisikymmentä vuotta jatkuneella laina-ajalla Hawking selvitti useita kosmoksen arvoituksia, mutta keksi myös uusia ominaisuuksia ja omituisuuksia, joita kukaan muu ei ollut tullut ajatelleeksikaan.

"Mustat aukot eivät säteile."

Näin uskottiin, kunnes Hawking meni mullistamaan käsitykset laskemalla, että ne voivat säteillä itsensä olemattomiin virtuaalihiukkasten karanneina osapuolina. Tätä "Hawkingin säteilyä" on vain äärimmäisen vaikea havaita ja siksi Nobel jäi Hawkingilta saamatta. Hyvistäkään teorioista palkintoa ei jaeta.

Kirjaimellisesti tähtitieteellisen suuret luvut, liki-ikuisuudet ja käsittämättömät kvantti-ilmiöt eivät Hawkingia pelottaneet. Välillä tuntui, että hän ilkikurisuuttaan valikoi tutkimusaiheensa sen mukaan, kuinka paljon hänen kollegansa joutuisivat vaivaamaan päätään päästäkseen kärryille, mistä kulloinkin on kyse.

Omien ja läheistensä sanojen mukaan Hawkingilla oli poikkeuksellinen kyky ”nähdä” tarvittavat mielettömän mutkikkaat laskelmat mielessään. Yhtälöiden piirustelu paperille tai liitutaululle oli mahdotonta, edes kirjojen tai lehtien sivujen kääntely ei sairauden edetessä onnistunut.

Kaikki oli tehtävä päässä.

Kahden mustan aukon sulautuminen yhdeksi on ilmiö, jonka havaitseminen kiinnostaisi kovasti tähtitieteilijöitä. Ongelmana on, että tapahtuma ei säteile lainkaan – paitsi gravitaatioaaltoja. Niitä sinkoaa avaruuteen sitäkin enemmän ja sitäkin suuremmalla energialla, mutta toistaiseksi käytössä ei ole mittalaitteita, joilla gravitaatioaaltoja pystyttäisiin havaitsemaan suoraan.

Tilanteen odotetaan lähiaikoina muuttuvan, sillä Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) aloittaa toimintansa loppuvuodesta. Se parantaa Louisianan ja Washingtonin osavaltioissa sijaitsevien LIGO-observatorioiden herkkyyden kymmenkertaiseksi. 

Kun observatorioiden välinen etäisyys on hieman yli 3 000 kilometriä, niiden – toivottavasti – havaitsemien aaltojen saapumisajoissa on pieni ero. Sillä perusteella pystytään määrittämään kohteen suunta.

Frederic Rasion johtaman tutkijaryhmän laatiman mallin mukaan pallomaisissa tähtijoukoissa syntyy runsaasti mustia kaksoisaukkoja, jotka kiertävät toisiaan hyvin lähekkäin. Ennemmin tai myöhemmin ne sulautuvat yhteen ja lähettävät avaruuteen gravitaatioaaltojen ryöpyn. 

Jos ja tutkijoiden mukaan kun gravitaatioaaltoja onnistutaan vihdoin vastaanottamaan, tuoreen tutkimuksen mukaan mustien aukkojen törmäyksiä havaitaan viisi kertaa enemmän kuin aiemmin on arvioitu.

Tutkijat mallinsivat tietokoneella mustien kaksoisaukkojen syntyä pallomaisten tähtijoukkojen tiheillä keskusalueilla. Näyttää siltä, että elinaikanaan, joka on yli 10 miljardia vuotta, tiheä tähtijoukko voi tuottaa satoja yhteensulautuneita aukkoja.

Vertailemalla malleja tuoreisiin havaintoihin sekä Linnunradan että muiden galaksien pallomaisista tähtijoukoista tutkijat ovat päätelleet, että seuraavan sukupolven gravitaatioaalto-observatorioilla pystytään "näkemään" yli sata mustien aukkojen yhteensulautumista vuosittain.

Mustien aukkojen tehtailusta kerrottiin Northwestern Universityn uutissivuilla ja tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -tiedelehdessä.

Kuva: ESO/D. Minniti/VVV Team

Avaruuden kummajaisia, mustia aukkoja, on populaaristi pidetty ahnaina imureina, jotka kiskovat julmasti kitaansa kaiken lähelleen osuvan. Ja ikään kuin se ei vielä riittäisi, niiden pinnalla eli tapahtumahorisontissa, jonka tuolta puolen mikään ei enää pääse pakenemaan, on "tulimuuri", joka polttaa kaiken mustaan aukkoon joutuvan.

Ohion valtionyliopiston fysiikan professori Samir Mathur on jyrkästi eri mieltä. 

Jos Maa joutuisi riittävän ison mustan aukon lähistölle ja päätyisi sen sisään, emme välttämättä edes huomaisi sitä. Mathurin väite perustuu laskelmiin, joita hän on tehnyt tulimuuriteorian pohjalta.

2000-luvun alussa Mathur päätyi säieteorian perusteella siihen, että mustat aukot ovat kosmisten säikeiden muodostamia sykeröisiä palloja. Hänen "nukkapallo"-teoriansa avulla pystyttiin ratkomaan joitakin ristiriitaisuuksia, joita mustien aukkojen teoreettisessa tarkastelussa oli.

Sittemmin muut tutkijat totesivat Mathurin laskelmien johtavan siihen, että nukkapallon pinta on todellisuudessa polttava: se käräyttää olemattomiin kaiken, joka siihen koskee – jos nyt ylipäätään on mahdollista kuvitella tilannetta, jossa jokin koskettaa aika-avaruudessa olevaa matemaattista pintaa. 

Nyt Mathur on tutkijaryhmineen laajentanut omaa teoriaansa ja päätynyt tyystin toisenlaiseen tulokseen. Mustat aukot eivät olisikaan tuhoisia tappajia, vaan eräänlaisia kesyjä kopiokoneita. 

Uusien laskelmien mukaan kosketus mustan aukon "pintaan" tuottaa hologrammin, joka on lähes täydellinen kopio siitä, mikä pintaan kosketti. Ja kopio jatkaa alkuperäisen version olemassaoloa aivan kuin mitään ei olisi tapahtunut.

Oleellista on, että kopio on vain "lähes" täydellinen. Leonard Susskindin yli 20 vuotta sitten kehittämän komplementaarisuushypoteesin mukaan mustan aukon luoman hologrammin pitäisi olla täydellinen kopio. 

Matemaattisesti se ei kuitenkaan ole mahdollista. Mathur kollegoineen on kehittänyt komplementaarisuudesta muunnelman, jossa kopioiden oletetaan olevan hieman puutteellisia, pelkästään "lähes täydellisiä".

Tulimuuriteorian kannattajat eivät kuitenkaan tyydy vaillinaiseen ratkaisuun, vaan olettavat, että vähäinenkin poikkeama täydellisyydestä saa aikaan tuhoisan rajapinnan. 

Ristiriita on ilmeinen, mutta Mathur on mielestään ryhmänsä kanssa osoittanut, että komplementaarisuuden muunnelma on mahdollinen. Hänen mukaansa vastapuoli ei ole tehnyt omissa laskelmissaan virheitä, vaan kyse on alkuoletuksista. Kun ne ovat erilaiset, myös vastaukset poikkeavat toisistaan. Toisessa hyväksytään epätäydellisyys, toisessa ei.

Epätäydellisyys tulee vastaan muuallakin kosmologiassa. Stephen Hawkingin mukaan oma olemassaolommekin on seurausta maailmankaikkeuden epätäydellisyydestä alkuhetkillään. Jos alkuräjähdyksessä syntynyt aine ei olisi lähtenyt laajenemaan epätäydellisesti eli epätasaisesti eri suuntiin, gravitaatio ei olisi pystynyt kasaamaan siitä myöhemmin galakseja, tähtiä ja planeettoja.

Mustien aukkojen kohdalla pitäisi Mathurin mukaan myös hyväksyä epätäydellisyys. "Täydellistä mustaa aukkoa ei ole olemassakaan", Mathur sanoo. "Jokainen niistä on erilainen."

Epätäydellisyys liittyy informaatioparadoksiin, jonka mukaan tieto mustiin aukkoihin katoavan aineen ominaisuuksista ei voi kokonaan kadota tai kaikenlainen ennustettavuus olisi maailmankaikkeudessa mahdotonta ja historia häviäisi.

Mathurin mukaan jokainen musta aukko on erilainen, koska jokaiseen mustaan aukkoon on pudonnut enemmän tai vähemmän erilaista ainetta. Nukkapalloteorian perusteella aine ei putoa mustan aukon pinnan läpi, vaan sen pinnalle. Ja muuttuu hologrammiksi, lähes täydelliseksi kopioksi itsestään. 

Säieteorian mukaan tuntemamme kolmiulotteinen – tai aika mukaanluettuna neliulotteinen – maailmankaikkeus on hologrammi vielä useampiulotteisella pinnalla. "Jos mustan aukon pinta on tulimuuri, maailmankaikkeuskaan ei voi olla hologrammi", Mathur päättelee. 

Uudesta tutkimuksesta kerrottiin Ohio State Universityn uutissivuilla ja artikkeli on luettavissa preprint-versiona.

Kuva: Alain Riazuelo/French National Research Agency

Kaikki mustaan aukkoon päätyvä katoaa lopullisesti tästä maailmankaikkeudesta. Niin uskottiin mutta niin ei kuitenkaan ole.

Stephen Hawking laski jo 1970-luvulla, että pilkkopimeinä pidetyt avaruus-ajan kurimukset säteilevät. Lopullisen rajan muodostavan tapahtumahorisontin äärellä ilmestyvän virtuaalisen hiukkasparin toinen puolisko voi päästä karkuun, kun toinen joutuu aukon uumeniin.

Etäämpää tapahtumia tarkkailevan silmin näyttää siltä, että musta aukko säteilee. Samalla karkaava hiukkanen vie mennessään energiaa, jolloin aukon massa pienenee ja ennen pitkää kosminen kummajainen voi höyrystyä olemattomiin.

Mitä silloin tapahtuu informaatiolle, jonka musta aukko on niellyt samalla, kun sen kitaan on joutunut sekalaista materiaa?

Hawking oli sitä mieltä, että hänen mukaansa nimetty säteily ei ratkaise tätä informaatioparadoksia.

Kvanttimekaniikan lakien mukaan informaation pitäisi säilyä. Jos tietoa kuitenkin voi kadota peruuttamattomasti mustiin aukkoihin, se murentaa tieteen pohjana olevan ennustettavuuden sekä syyn ja seurauksen keskinäisen riippuvuuden.

Onneksi informaatio kuitenkin säilyy. Hawking oli väärässä ja myönsi sen itsekin. Ongelmana on kuitenkin ollut mekanismi, jolla mustaan aukkoon sujahtanut informaatio säilyy ja on jopa palautettavissa.   

Buffalon yliopiston tutkijoiden Dejan Stojkovicin ja Anshul Sainin tuoreessa artikkelissa tarkastellaan mustan aukon säteilemien hiukkasten lisäksi myös niiden välisiä vuorovaikutuksia. Aiemmin ne on jätetty huomiotta, mutta uuden teoreettisen tutkimuksen mukaan nimenomaan nämä vuorovaikutukset ovat informaation avain.

Hiukkasvuorovaikutusten avulla olisi – ainakin periaatteessa – mahdollista selvittää, millainen taivaankappale aikoinaan muodosti mustan aukon ja millaista ainetta ja energiaa sen sisään on aikojen saatossa joutunut.

Stojkovicin mukaan hiukkasten väliset gravitaatio- ja sähkömagneettiset vuorovaikutukset on sivuutettu aikaisemmissa laskelmissa, koska "niiden arveltiin olevan niin pieniä, ettei niillä olisi juurikaan merkitystä".

Uusien, aiempaa tarkempien laskelmien mukaan niiden vaikutus onkin hyvin pieni, mutta vain alkuun. Aikaa myöten merkitys kasvaa ja silloin vuorovaikutukset muuttavat tarkastelun lopputulosta: informaatio ei katoa, se säilyy sittenkin.

Miten informaatio on ongittavissa hiukkasten välisten vuorovaikutusten avulla, onkin käytännössä hankalampi haaste. Yksi este on jo se, että ihan lähellä ei ole mustaa aukkoa, jonka säteilemien hiukkasten vuorovaikutuksia päästäisiin tutkimaan riittävän yksityiskohtaisesti.

Stojkovicin ja Sainin tuloksista kerrottiin Buffalon yliopiston uutissivulla ja heidän artikkelinsa ilmestyi Physical Review Letters -julkaisussa (maksullinen) 17. maaliskuuta.

Kuva: ESO / M. Kornmesser