Musta aukko

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tämä artikkeli käsittelee tähtitiedettä. Samannimistä teatteria käsittelee artikkeli Musta aukko (teatteri) ja elokuvaa Musta aukko (elokuva).
Simuloitu kuva mustasta aukosta Magellanin pilven edessä.

Musta aukko on massakeskittymä, jonka lähellä avaruus on kaareutunut niin voimakkaasti, että edes valo ei pääse pakenemaan sen vaikutuspiiristä. Kappaletta ympäröi tapahtumahorisontti, jonka sisältä mikään aine tai informaatio ei voi paeta. Tämän takia nykytiedon käsityksen mukaan on mahdotonta edes periaattessa tutkia, mitä mustien aukkojen sisällä tapahtuu. Tähtien massaiset mustat aukot syntyvät, kun massiiviset tähdet luhistuvat elinkaarensa loppuvaiheessa. Uskotaan myös, että useimpien galaksien (myös Linnunradan) keskuksessa on supermassiivinen musta aukko.

Ensimmäisenä termiä ”musta aukko” käytti vuonna 1967 John Wheeler, mutta jo vuonna 1784 englantilainen geologi John Michell pohti ajatusta, ja häneltä luultavasti sai vaikutteita Laplace, joka teoksessaan Exposition du système du Monde (Maailmanjärjestelmän esitys, 1796) esitti maininnan ”taivaankappaleesta, jonka vetovoima voisi olla niin suuri, että valo ei voi virrata siitä ulos”. Professori Stephen Hawkingin esittämän teorian mukaan musta aukko on eräänlainen reikä aika-avaruudessa.[1]

Havaitseminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mustien aukkojen suora havaitseminen on vaikeaa. Ne voi havaita vain sen vaikutuksen perusteella, joka niillä on ympäristöönsä. Esimerkiksi valon taipuminen tai tähden kiertäminen ympäri pistettä, jossa ei näytä olevan mitään, antaa viitteen mustan aukon olemassaolosta. Koska materian syöksyessä mustaan aukkoon syntyy voimakasta röntgensäteilyä, on voimakas röntgenlähde myös mahdollinen musta aukko.

Jos musta aukko on kaksoistähden toisena komponenttina, sen olemassaolon voi päätellä toisen tähden liikkeestä. Tästä syystä ja lähettämänsä röntgensäteilyn vuoksi pidetään todennäköisenä, että esimerkiksi Cygnus X-1 on musta aukko.

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Mustan aukon keskuksen ajatellaan olevan singulariteetti. Se on pistemäinen kohde, johon on keskittynyt kaikki mustan aukon massa; atomin, tähden tai jopa miljoonien tähtien massa. Mustan aukon näkyvä raja, jonka sisäpuolella pakonopeus ylittää valonnopeuden, on nimetty tapahtumahorisontiksi.

Pyörivällä mustalla aukolla on toinenkin tapahtumahorisontti, ellipsin muotoinen stationaarisyysraja. Se on raja jonka sisäpuolella mikään kappale ei voi pysyä levossa, vaan musta aukko tempaisee kaiken sinne joutuvan vastustamattomaan pyörimisliikkeeseen. Stationaarisyysrajan ja tapahtumahorisontin välistä aluetta kutsutaan ergosfääriksi. Osa ergosfääriin joutuvasta aineesta sinkoutuu ulos mustan aukon vaikutuspiiristä.

Mustista aukoista on olemassa neljä mallia:

  • Schwarzschildin aukko: pyörimätön musta aukko, jolla on vain singulariteetti ja tapahtumahorisontti
  • Kerrin aukko: pyörivä musta aukko, jolla on edellisten lisäksi myös ergosfääri
  • Reissner-Nordströmin aukko: sähkövarauksellinen musta aukko, jolla on kaksi sisäkkäistä tapahtumahorisonttia, joiden välissä aika- ja avaruuskoordinaatit vaihtavat paikkaa
  • Kerr-Newmanin aukko: pyörivä ja sähkövarauksellinen aukko

Teoreettinen astrofysiikka tuntee myös käsitteen alaston singulariteetti; tällainen syntyy, mikäli aukon pyörimisnopeus ylittää Schwarzschildin säteen kohdalla valon nopeuden. Tällöin tapahtumahorisontti repeytyy ja paljastaa sisällä olevan singulariteetin. Niin sanotun kosmisen sensuurin konjenktuuri kieltää näiden olemassaolon.

Teoreettisessa astrofysiikassa tunnetaan myös valkoinen aukko, mutta niiden olemassaolosta ei ole edes epäsuoraa havaintoa. Valkoinen aukko on nimensä mukaisesti mustan aukon vastakohta, joka sylkee ulos valoa ja ainetta, joka mahdollisesti on lähtöisin jostakin toisesta maailmankaikkeudesta. Valkoisen aukon sisältämä ratkaisu on kuitenkin epäfysikaalinen, koska se ei voi syntyä tähden romahtaessa ja sillä on äärettömän pitkä historia.

Syntymekanismi[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Musta aukko syntyy raskaimmista tähdistä supernovaräjähdyksessä. Kappale luhistuu mustaksi aukoksi, jos sen säde alittaa Schwarzschildin säteenä tunnetun matkan. Tämän etäisyyden sisäpuolella aika-avaruus on niin vahvasti kaareutunut, että jokainen valonsäde pyrkii kohti keskustaa. Koska aukosta pakeneminen vaatisi valoa nopeamman liikkeen, kaikki materia Schwarzschildin säteen sisäpuolella luhistuu keskustaa kohti.

Schwarzschildin säde voidaan laskea kaavasta:

r_s = {2GM \over c^2} ,

jossa G on gravitaatiovakio (6{,}67 \times 10^{-11} Nm2/kg2), M on kohteen massa ja c on valon nopeus. Massaltaan Maan kokoisen kappaleen Schwarzschildin säde on noin 9 mm.

Galaksien ytimissä on supermassiivisia mustia aukkoja, jotka eivät ole syntyneet tähtien luhistumisesta. Niiden syntytapa on vielä tuntematon, mutta kaksi parasta selitystä ovat galaksin syntymisen yhteydessä tapahtunut materian kertyminen ja alkuräjähdyksen yhteydessä syntyminen. Näiden kahden yhdistelmää on myös tarjottu syntyteoriaksi. Koska tapahtumahorisontin säde skaalautuu lineaarisesti massan mukana, mutta sen sisänen tilavuus suhteessa säteen kolmanteen potenssiin, vaatii suurien aukkojen syntyminen vähemmän eksoottiset olosuhteet.

Mustien aukkojen arvellaan pystyvän menettämään massaansa Hawkingin säteilynä.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Hawking, Stephen W.: Ajan lyhyt historia. (The Illustrated A Brief History of Time, 1996.) Tarkistettu ja täydennetty, kuvitettu laitos. Suom. Risto Varteva. Porvoo Helsinki Juva: WSOY, 2000. ISBN 951-0-19440-9.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Hawking: Ajan lyhyt historia

Kirjallisuutta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Adams, Fred & Greg Laughlin: Maailmankaikkeuden elämäkerta: Ikuisuuden fysiikkaa. (Five ages of the universe: Inside the physics of eternity, 1999). Suom. J. Pekka Mäkelä. Helsinki: Like, 2002. ISBN 952-471-018-8.
  • Al-Khalili, Jim: Mustia aukkoja, madonreikiä ja aikakoneita. (Black holes, wormholes and time machines, 1999). Suom. Hannu Karttunen. Helsinki: Art House, 2001. ISBN 951-884-301-5.
  • Enqvist, Kari: Suhteellisuusteoriaa runoilijoille. Helsinki: WSOY, 2005. ISBN 951-0-30082-9.
  • Greene, Brian: Kosmoksen rakenne: Avaruus, aika ja todellisuus. (The Fabric of Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality, 2004). Suom. Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita, 2005. ISBN 952-5202-83-6.
  • Greene, Brian: Kätketyt ulottuvuudet: Supersäikeet, ajan halkeamat ja maailmanselityksen haaste. (The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, 1999). Suom. Mikko Vänttinen. Helsinki: Tammi, 2000. ISBN 951-31-1650-6.
  • Hawking, Stephen W.: Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa. (The Universe in a Nutshell, 2001). Suom. Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2003. ISBN 951-0-28400-9.
  • Kaku, Michio: Hyperavaruus. (Hyperspace: A Scientific Odyssey Through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension, 1995). Suom. Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Art House, 1996. ISBN 951-884-192-6.
  • Keskinen, Raimo & Oja, Heikki: Mustaa aukkoa etsimässä. Ursan julkaisuja VIII. Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 1977. ISBN 951-9269-04-5.
  • Maalampi, Jukka (toim.): Minne menet, maailmankaikkeus?: Kirjoituksia kosmoksesta. Helsinki: Fysiikan kustannus, 2001. ISBN 951-97790-0-0.
  • Rees, Martin: Ennen alkua: Oma maailmankaikkeutemme ja muut. (Before the Beginning: Our Universe and Others, 1998) Ursan julkaisuja 75. Suom. Hannu Karttunen. Helsinki: Ursa, 2000. ISBN 952-5329-08-9.
  • Smolin, Lee: Kvanttipainovoima. (Three Roads to Quantum Gravity: A New Understanding of Space, Time and the Universe, 2001) Tieteen huiput. Suom. Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2002. ISBN 951-0-26895-X.
  • Tähtinen, Leena: Kuolleiden kanssa kassajonossa: Tieteellistä aikamatkailua. Helsinki: WSOY, 2001. ISBN 951-0-24866-5.
  • Valtonen, Mauri: Kvasaareja ja mustia aukkoja. Ursan julkaisuja 45. Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa, 1992. ISBN 951-9269-63-0.

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Musta aukko.