Musta aukko

Simuloitu kuva mustasta aukosta Magellanin pilven edessä.

Musta aukko on äärimmäisen tiheä aika-avaruuden massakeskittymä. Siellä painovoima on niin voimakas, ettei yksikään hiukkanen tai edes sähkömagneettinen säteily pysty pakenemaan alueelta. Mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Nykytiedon käsityksen mukaan mustan aukon sisustaa ja sen tapahtumia on mahdotonta tutkia, sillä mikään informaatio ei pysty pakenemaan sieltä.

Tähtien massaiset mustat aukot syntyvät massiivisten tähtien luhistuessa elinkaarensa loppuvaiheessa. Synnyttyään aukot voivat kasvaa kuluttamalla ympäristössään olevaa massaa, kuten toisia tähtiä, ja yhdistymällä toisten mustien aukkojen kanssa. Lopulta niistä voi muodostua miljoonien aurinkojen massaisia ns. supermassiivisia mustia aukkoja, joita uskotaan olevan useimpien galaksien, myös Linnunradan, keskuksissa.

Tiedetään, että jo vuonna 1784 englantilainen geologi John Michell pohti ajatusta mustien aukkojen kaltaisista kappaleista. Häneltä luultavasti sai vaikutteita Pierre-Simon 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”. Ensimmäisenä termiä ”musta aukko” käytti fyysikko John Wheeler vuonna 1967. Mustien aukkojen teoriaa huomattavasti kehittäneen professori Stephen Hawkingin mukaan musta aukko on eräänlainen reikä aika-avaruudessa.

Rakenne

Tähdet

Nimeäminen · Luokittelu
Kehitys · HR-kaavio · Nukleosynteesi
Tähtijärjestelmä · Eksoplaneetta
Luettelot tähdistä

Synty ja kehitys

Synty · Prototähti · Esipääsarja · Pääsarja
Horisontaalihaara · Asymptoottihaara
Esiplanetaarinen sumu · Planetaarinen sumu
Wolfin–Rayetin tähti · Valesupernova
Supernova · Hypernova

Luminositeettiluokitus

Alikääpiö · Kääpiö (Punainen · Keltainen · Sininen)
Alijättiläinen · Jättiläinen (Punainen · Sininen)
Kirkas jättiläinen · Ylijättiläinen (Punainen · Sininen)
Hyperjättiläinen

Spektriluokitus

O · B · A · F · G · K · M
Bariumtähti · Hiilitähti · Teknetiumtähti

Jäänteet

Valkoinen kääpiö · Musta kääpiö · Heliumplaneetta
Neutronitähti (Pulsari · Magnetar) · Musta aukko

Nukleosynteesi

Alfareaktio · Kolmialfareaktio · Heliumleimahdus
Hiilisykli · Hiilen fuusio · Neutronisieppaus · Nova

Yleiset ominaisuudet

Ikä · Magnitudi · Metallisuus · Luminositeetti

Aiheeseen liittyvää

Ruskea kääpiö · Ruskea alikääpiö · Planeetta
Tähtijoukko (Avoin · Pallomainen) · Tähdistö
Auringon ominaisuudet

  

Mustan aukon keskuksen ajatellaan olevan gravitaationaalinen singulariteetti, pistemäinen kohde, jonka tilavuus on lähellä nollaa. Singulariteettiin on keskittynyt kaikki mustan aukon massa; atomin, tähden tai jopa miljoonien tähtien massa. Tämän seurauksena sen äärimmäisen suuri tiheys synnyttää mustan aukon äärimmäisen vetovoiman.

Mustan aukon rajapintaa, jonka takaa mikään hiukkanen tai sähkömagneettinen aalto ei voi enää paeta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Tapahtumahorisontin sisäpuolella pakonopeus ylittää valonnopeuden.

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

Havaituilla mustilla aukoilla on yleensä ympärillään aineesta koostuva kertymäkiekko, joka kiertää aukkoa. Kun kertymäkiekon aine menettää liike-energiaa se menettää ainetta mustaan aukkoon.

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

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.

Kertymällä kasvavan mustan aukon tyypilliseksi maksimimassaksi on esitetty 50 miljardia Auringon massaa. Massaraja tulee siitä, että tätä suuremmilla massoilla ei pysty syntymään vakaata kertymäkiekkoa. Tällöin aukkoon vain putoaa siihen suoraan osuva materia. Kookkain tunnettu musta aukko on 40 miljardin Auringon massainen.

Mustien aukkojen arvellaan pystyvän menettämään massaansa Hawkingin säteilynä.

Havaitseminen

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. Mustilla aukoilla on ympärillään usein kertymäkiekko. 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.

Lähteet

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

Kirjallisuutta

• Adams, Fred & Laughlin, Greg: Maailmankaikkeuden elämäkerta: Ikuisuuden fysiikkaa. (Five ages of the universe: Inside the physics of eternity, 1999). Suomentanut 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). Suomentanut 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). Suomentanut 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). Suomentanut Mikko Vänttinen. Helsinki: Tammi, 2000. ISBN 951-31-1650-6.
• Hawking, Stephen W.: Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa. (The Universe in a Nutshell, 2001). Suomentanut 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). Suomentanut 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. Suomentanut 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. Suomentanut 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

• Yle: Stephen Hawking murtaa mustien aukkojen tapahtumahorisontin 25.1.2014
• Kirkkonummen Komeetta: Esitelmä mustista aukoista 15.12.2009
• Kirkkonummen Komeetta: Esitelmä mustista aukoista 11.10.2005
• Curiel, Erik & Bokulich, Peter: Singularities and Black Holes The Stanford Encyclopedia of Philosophy. The Metaphysics Research Lab. Stanford University. (englanniksi)
• Scholarpedia: Black holes (englanniksi)