Musta aukko

Musta aukko on äärimmäisen tiheä aika-avaruuden massakeskittymä. Siinä 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. Nykykäsityksen mukaan mustan aukon sisustaa ja sen tapahtumia voi tutkia vain gravitaatioaaltojen avulla, sillä mikään massallinen hiukkanen tai sähkömagneettinen informaatio ei pysty pakenemaan sieltä.

Messier 87 -galaksin musta aukko Event Horizon Telescopen kuvaamana. Kuva julkaistiin 10. huhtikuuta 2019 ja se on ensimmäinen taltioitu kuva mustasta aukosta. Kuva on radioaalloilla tehdyistä havainnoista jälkikäteen koostettu kuvannos, ei valokuva.

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 niin sanottuja supermassiivisia mustia aukkoja, joita uskotaan olevan useimpien galaksien, myös Linnunradan, keskuksissa.

Englantilainen geologi John Michell pohti vuonna 1784 ajatusta mustien aukkojen kaltaisista kappaleista. Häneltä luultavasti sai vaikutteita Pierre-Simon Laplace, joka teoksessaan Exposition du système du Monde (1796, 'Maailmanjärjestelmän esitys') 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.^lähde?

Rakenne

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.^lähde?

Tapahtumahorisontti on alun perin valon pakonopeuden mukaan määräytynyt laskennallinen rajapinta, josta lähtevä fotoni voisi siis vielä paeta mutta sen sisäpuolelta lähtevä fotoni tulisi mahdollisen tilapäisen ulkopuolella käynnin jälkeen palaamaan takaisin. Tapahtumahorisontille on myöhemmin käytetty tätä jyrkempää tulkintaa, jonka mukaan mikään informaatio ei voisi päästä sen ulkopuolelle. Tämä tulkinta on aiheuttanut ristiriitaisuuksia, joista pääsemiseksi Hawking on ehdottanut näennäishorisontin käyttöä. Näennäishorisontti on rajapinta jonka rajaamassa alueessa valo ei voi kulkea lainkaan ulospäin. Mustan aukon tapahtumahorisontti ei syntyhistoriastaan huolimatta ole varsinainen tapahtumahorisontti koska se ei estä sisällä olevan massan määrän tai sen kiihtyvän liikkeen ilmaisevan informaation, gravitaatioaaltojen, leviämistä ulkopuolelle.

Pyörivälle mustalle aukolle määritellään myös ellipsin muotoinen stationaarisuusraja. Sen rajan 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.^lähde?

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:^lähde?

• 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. Sellainen 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.^lähde?

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 voi olla lähtöisin jostakin toisesta maailmankaikkeudesta. Valkoisen aukon sisältämä ratkaisu on kuitenkin epäfysikaalinen, koska se ei voi syntyä tähden romahtaessa ja sillä on äärettömän pitkä historia.^lähde?

Muita rakennemalleja

Yllä esitetty kuvaus noudattaa standardikosmologian klassista 1900-luvun puolessavälin muotoutunutta suhteellisuusteoriaan perustuvaa mustan aukon rakenneoletusta, jonka tunnusomaiset osat ovat keskussingulariteetti ja tapahtumahorisontti. Tämän klassisen mallin on todettu johtaneen toistaiseksi ratkaisemattomaan fysikaaliseen ristiriitaan, informaatioparadoksiin. Myös aukkoon putoamisnopeuden kasvu valonnopeuteen ja sen ylikin on nähty ongelmallisena. Mallin kehittämiseen ratkaisevasti osallistunut Hawking on myöntänyt tilanteen toteamalla klassista rakennemallia tarkoittaen että ”mustia aukkoja ei ole” ja ehdottanut tapahtumahorisontin korvaamista näennäishorisontilla, mutta ongelmien ratkaiseminen sen avulla ei ole tullut osoitetuksi.

Mustan aukon rakenteelle on laadittu useita vaihtoehtoisia rakennemalliehdotuksia:

• Suhteellisuusteoriaan perustuvia malleja kuten Exotic Compact Objects (ECOs), Eternally Collapsing Object (myös ECO) ja Magnetospheric Eternally Collapsing Object (MECO), ultracompact objects (UCOs), boson stars, wormholes, black stars, gravastars, superspinars, collapsed polymers. Nämä ovat kutakuinkin Schwarzschildin säteen kokoisia kompakteja massiivisia objekteja. Malleissa ei yleensä ole singulariteettia, jolloin ne eivät sisällä valonnopeuteen tai sen ylittymiseen johtavia geodeeseja, ja useissa ei ole tapahtumahorisonttia, jolloin niihin ei liity ongelmallista informaatioparadoksia.

• Kvanttiteoreettista mustan aukon rakennemallia edustaa supersäieteoriaan perustuva ”fuzzball”-malli, jossa aine ei puristu singulariteetiksi. Myös tämä malli ratkaisisi klassisen rakennemallin informaatioparadoksin. Säieteorioita ei ole voitu todentaa kokeellisesti.

Vaikka nykyisten havaintojen on katsottu noudattaneen hyvin suhteellisuuteorian mukaisia mallinuksia, niiden tarkuus ei ole vielä kyennyt antamaan ratkaisevaa viitettä siitä mikä malleista kuvaisi mustaa aukkoa parhaiten. Kehittyvien havaintolaitteiden myötä saataneen lisätietoa mahdollisista rakennemalleista.

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.^lähde?

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 valonnopeus. 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 selitystä ovat galaksin syntymisen yhteydessä tapahtunut materian kertyminen ja alkuräjähdyksen yhteydessä syntyminen. Syntyteoriaksi on tarjottu myös näiden kahden yhdistelmää. Koska tapahtumahorisontin säde skaalautuu lineaarisesti massan mukana, mutta sen sisäinen tilavuus suhteessa säteen kolmanteen potenssiin, ei suurien aukkojen syntyminen vaadi yhtä eksoottisia olosuhteita.^lähde?

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. Tosin hiljaittain löydetyn kvasaarin TON 618 epäillään sisältävän jättiläismäisen 66 miljardin auringon massaisen mustan aukon.^lähde?

Mustien aukkojen arvellaan pystyvän menettämään massaansa Hawkingin säteilynä.^lähde?

Havaitseminen

Simuloitu kuva mustasta aukosta Magellanin pilven edessä.

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.^lähde?

Jos musta aukko on kaksoistähden toisena komponenttina, sen olemassaolon voi päätellä toisen tähden liikkeestä. Tästä syystä ja lähettämänsä röntgensäteilyn vuoksi pidetään esimerkiksi Cygnus X-1:tä todennäköisenä mustana aukkona.^lähde?

Mustien aukkojen törmäyksiä voidaan havainnoida gravitaatioaaltojen avulla. Havaintoja on saatu vuodesta 2016 alkaen eri puolille maapalloa rakennetuilla tunnistimilla.

Huhtikuussa 2019 tutkijat julkistivat ensimmäisen taltioidun kuvan avaruuden mustasta aukosta. Event Horizon Telescope -projektin kuva on koottu muutaman päivän aikana kerätystä tiedosta, joita on havaittu kahdeksalla eri puolilla maapalloa sijaitsevalla radioteleskoopilla. Musta aukko sijaitsee 50 miljoonan valovuoden päässä Maasta galaksissa M87. Tutkijoiden mukaan mustan aukon pohjan reuna näyttää kirkkaammalta, sillä musta aukko tai sen läheisyydessä oleva materia kiertää sitä. Aiemmat kuvat mustista aukoista ovat olleet simulaatioita tai taiteilijoiden näkemyksiä.

Lähteet

• Hawking, Stephen W.: Ajan lyhyt historia. Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2000. ISBN 951-0-19440-9

Kirjallisuutta

• Enqvist, Kari: Suhteellisuusteoriaa runoilijoille. Helsinki: WSOY, 2005. ISBN 951-0-30082-9
• Greene, Brian: Kosmoksen rakenne: Avaruus, aika ja todellisuus. Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita, 2005. ISBN 952-5202-83-6
• Hawking, Stephen W.: Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa. Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2003. ISBN 951-0-28400-9
• Maalampi, Jukka (toim.): Minne menet, maailmankaikkeus?: Kirjoituksia kosmoksesta. Helsinki: Fysiikan kustannus, 2001. ISBN 951-97790-0-0
• Smolin, Lee: Kvanttipainovoima. Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY, 2002. ISBN 951-0-26895-X Tieteen huiput
• Tähtinen, Leena: Kuolleiden kanssa kassajonossa: Tieteellistä aikamatkailua. Helsinki: WSOY, 2001. ISBN 951-0-24866-5

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta mustat aukot Wikimedia Commonsissa

• Wikiuutisissa on aiheeseen liittyvä uutinen: Ensimmäinen kuva mustasta aukosta julkistettiin
• 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)