Mustat aukot

Mustat aukot olivat pitkään ainoastaan science fiction –kirjailijoiden mielikuvituksen tuotetta ja joillekin ne saattavat olla sitä vielä nykyäänkin, vaikka mustista aukoista on tehty runsaasti epäsuoria havaintoja.

Mustaksi aukoksi voidaan kutsua joko elinkaarensa loppupisteessä olevaa luhistunutta massiivisen tähden ydintä tai galaksin keskustassa olevaa, kokonaisen tähtijoukon niellyttä erittäin suurta mustaa aukkoa, joka tunnetaan myös nimellä supermassiivinen musta aukko.

Johtuen mustan aukon laajasta vaikutuskentästä, sen voisi oikeastaan myös määritellä alueeksi, joka on niin tiheä ja massiivinen, että mikään sen lähistöllä liikkuva kappale ei voi vastustaa sen aiheuttamaa painovoimaa, vaan syöksyy aukkoon lisäten näin aukon massaa entisestään.

Mustaan aukkoon jouduttuaan mikään kappale ei voi paeta sieltä. Mustan aukon painovoima on itse asiassa niin valtava, että edes valonsäde ei pysty pakenemaan mustasta aukosta. Sen vuoksi sitä juuri kutsutaankin mustaksi aukoksi. Mustien aukkojen olemassaolo on ennustettu Einsteinin suhteellisuusteorian perusteella.

Mustan aukon koostumuksesta ei olla saatu minkäänlaista tietoa, sillä sen sisältä ei ole mahdollista saada informaatiota. Mustat aukot pystytään havaitsemaan ainoastaan niiden aiheuttaman suunnattoman painovoiman ja pyörimisliikkeen ansiosta.

Mustien aukkojen massa on suoraan verrannollinen sitä ympäröivän järjestelmän massaan ja ne voidaan jakaa massansa perusteella kahteen ryhmään:

• Tähdenmassaisia mustia aukkoja esiintyy vapaasti avaruudessa ja ne syntyvät tähden luhistuessa oman painovoimansa vaikutuksesta.
• Supermassiivisia mustia aukkoja esiintyy lähinnä galaksien ytimissä, jossa ne imevät jatkuvasti uutta ainetta sisäänsä ympäröivältä alueelta. Supermassiivisten mustien aukkojen massa voi olla miljoonasta jopa miljardiin Auringon massaan.

Miten tähdenmassainen musta aukko syntyy?

Pienimassaiset tähdet lopettavat elinkaarensa yleensä valkoisena kääpiönä, kun taas suurempimassaiset tähdet räjähtävät supernovina ja muuttuvat neutronitähdiksi. Oletetaan, että kaikkein suurimassaisimmat tähdet, joiden massa suurempi kuin 15 Auringon massaa, tulevat päätymään mustaksi aukoksi.

Suurimassaisen tähden keskustassa lämpötila nousee niin korkeaksi, että ydinreaktiot pystyvät jatkumaan vedyn ja heliumin loputtua edelleen hiilen, hapen ja muiden raskaampien aineiden ydinreaktioilla.

Lopulta, kun ydinpolttoaineet aina rautaan asti ovat kuluneet loppuun, ydinreaktiot tähden ytimessä lakkaavat ja paine ytimessä pienenee. Ytimen ympärillä on kuitenkin erittäin raskas massa, minkä vuoksi paineen aletessa tähti alkaa luhistua sisäänpäin.

Luhistumisen aikana lämpötilat tähden eri kerroksissa kohoavat korkeiksi, minkä seurauksena tähden ydintä ympäröivät kerrokset räjähtävät supernovana sekä ulos- että sisäänpäin. Jäljelle jää vain räjähdyksen voimasta entistäkin tiheämpään ja pienempään tilaan tiivistynyt ydin. Mikäli jäljelle jääneen ytimen massa ylittää vähintään kolminkertaisesti Auringon massan, se luhistuu erittäin tiheäksi mustaksi aukoksi.

Tähden luhistuessa mustaksi aukoksi, monet siinä olleista ominaisuuksista tuhoutuvat samalla hetkellä. Muun muassa magneettikenttä luhistuu mustaan aukkoon.

Ainoastaan kolme ominaisuutta säilyy tähden luhistuessa mustaksi aukoksi:

1) vetovoima
2) pyöriminen
3) sähkövaraus

Mustalla aukolla voi olla sähkövaraus ainoastaan silmänräpäyksen ajan luhistumisen jälkeen, jonka jälkeen varaus purkautuu väkivaltaisesti. Sähkövarauksen purkautumisen jälkeen musta aukko vaikuttaa ympäristöönsä enää suunnattoman vetovoimansa ja pyörimisensä kautta.

Kuinka supermassiivinen musta aukko syntyy?

Supermassiivisten mustien aukkojen olemassaolo on voitu osoittaa suoraan aivan vasta viimevuosina, ja niiden synnystä on esitetty useita teorioita. Hubble –avaruusteleskoopin avulla tehtyjen tutkimusten perusteella mustan aukon massa on suoraan verrannollinen emogalaksin massaan, minkä perusteella voidaan olettaa supermassiivisen mustan aukon kehittymisen ja kasvun olevan jollain tapaa kytköksissä emogalaksin syntyyn. Tutkimusten perusteella on esitetty seuraavat syntyteoriat:

1. Galaksin keskelle muodostuu ensin tähdenmassainen musta aukko, joka nielaisee miljoonien vuosien kuluessa suunnattomat määrät ainetta, ja kehittyy näin supermassiiviseksi mustaksi aukoksi.
2. Galaksiin muodostuu useiden pienempien mustien aukkojen rykelmä, joka lopulta sulautuu yhdeksi erittäin suurimassaiseksi mustaksi aukoksi.
3. Yksittäinen, erittäin laaja kaasupilvi luhistuu ja muodostaa suurimassaisen mustan aukon.

Tähtien hautausmaa galaksin keskustassa

Tähtitieteilijöiden tekemien tutkimusten mukaan lähes kaikkien isojen galaksien keskustassa on supermassiivinen musta aukko, jonka massa voi olla miljoonia tai jopa miljardeja kertoja Auringon massaa suurempi.

Optisen- ja radioalueen teleskoopeilla on voitu havaita, että galaksien keskustojen ympärillä kiertävien kaasupilvien ja tähtien kiertonopeuksissa tapahtuu selvästi havaittava nousu. Kiertonopeuden kasvu osoittaa, että suuri massa luo erittäin voimakkaan painovoimakentän ympärilleen, mikä puolestaan lisää sen vaikutuspiiriin joutuneiden tähtien nopeutta. Kun on tutkittu galaksien keskusalueita röntgenteleskoopeilla, on voitu havaita, että siellä syntyy suunnaton määrä energiaa, mikä todennäköisesti aiheutuu aineen syöksymisestä galaksin keskustassa olevaan mustaan aukkoon.

Mustan aukon rakenne

Einsteinin yleisen suhteellisuusteorian mukaan painovoiman aiheuttama veto johtuu siitä, että avaruus kaareutuu siinä olevien kappaleiden eli ns. massapisteiden vuoksi ”kuopalle”. Mitä suurempi massa kappaleella on, sitä suurempi ”kuoppa” syntyy. Näin avaruus kaareutuu kappaleiden ympärillä ja suurimassaisten kappaleiden ympärillä olevat kappaleet alkavat pudota kohti kuopan pohjalla olevaa massapistettä. Mikäli putoava kappale on sivuttaisliikkeessä, se alkaa kiertää massapistettä kuopan reunalla.

Suurimassaisen mustan aukon lähellä avaruuden kaareutuminen on erittäin voimakasta, minkä vuoksi mustalla aukolla on erikoisia ominaisuuksia. Mustalla aukolla on ns. tapahtumahorisontti eli pallomainen pinta, jota pidetään mustan aukon reunana. Kun kappale on ylittänyt tapahtumahorisontin, sillä on vain yksi liikesuunta: kohti mustan aukon keskustaa eli singulariteettia. Singulariteetista ei pysty edes valonsäde pakenemaan.

Tapahtumahorisontin takaa ei ole mahdollista saada minkäänlaista tietoa, koska rajapinnassa pakonopeus pitäisi olla sama kuin valonnopeus. Pakonopeushan tarkoittaa nopeutta, joka vaaditaan että kappale pääsee irti suurimassaisen kappaleen painovoimakentästä. Koska kuitenkaan minkään kappaleen nopeus ei nouse suuremmaksi kuin valonnopeus, ei mikään kappale myöskään voi päästä takaisin tapahtumahorisontin ulkopuolelle sinne kerran jouduttuaan, ei edes valo. Tapahtumahorisontin ulkopuolella pakonopeus on valonnopeutta pienempi, joten siellä pakeneminen on vielä mahdollista.

Joten tapahtumahorisontin ulkopuolella oleva aine loistaa kirkkaasti erityisesti röntgenalueella, vaikka itse musta aukko onkin täysin näkymätön. Mustaan aukkoon putoava osuu ennen pitkää singulariteettipisteeseen, jossa tilavuus on nolla ja tiheys ääretön. Aineen rakenne tuhoutuu painovoimien ansiosta, jolloin sen atomit ja alkeishiukkaset joutuvat olomuotoon, josta ei nykytietämyksellä osata sanoa mitään.

Gravitaatiovoimien lisäksi mustan aukon ulkopuolella voi tuntea vain sen pyörimisliikkeen. Tämä johtuu siitä, että tapahtumahorisontin ulkopuolella on ellipsin muotoinen rajapinta, jota kutsutaan stationaarisuusrajaksi. Sen ja tapahtumahorisontin rajapinnan välisellä alueella eli ergosfäärissä olevat kappaleet joutuvat kiertoliikkeeseen aukon ympäri. Ergosfääriin joutuneista kappaleista osa syöksyy mustaan aukkoon, osa sinkoutuu takaisin avaruuteen.

Mustien aukkojen tutkimus

Koska mustat aukot eivät lähetä säteilyä näkyvillä aallonpituuksilla, ne ovat näkymättömiä kohteita. Niinpä niiden tutkimisessa täytyykin turvautua hyvin pitkälti epäsuoriin havaintoihin.

Kun tutkitaan aktiivisten galaksien keskusalueita ja kvasaareja sekä niissä tapahtuvia asioita (kuten röntgensäteilyä, energiapurkauksia ja aineen liikenopeutta), pystytään saamaan todisteita mustien aukkojen olemassaolosta ja niiden toiminnasta. Kun mustan aukon olemassaolo ja paikka on saatu määritettyä, sitä pystytään tutkimaan tarkemmin esim. avaruuteen sijoitetuilla röntgen- ja näkyvän alueen teleskoopeilla. Spektroskoopin avulla pystytään määrittämään mustan aukon ympärillä pyörivän ainekiekon nopeus, josta puolestaan pystytään laskemaan mustan aukon massa.

Tähdenmassaisten mustien aukkojen olemassaolo voidaan selvittää kaksoistähtiä tutkimalla. Tähden liikettä tutkimalla pystytään havaitsemaan, onko tähti kaksoistähti. Mikäli tähden kumppania ei voida nähdä, sen massa pystytään kuitenkin määrittämään näkyvän komponentin liikenopeudesta. Mikäli näkymättömän komponentin massa on tarpeeksi suuri, voidaan olettaa, että kyseessä saattaa todennäköisesti olla musta aukko.

Kaksoistähden säteilymääriä tutkimalla pystytään järjestelmän näkymätön komponentti varmistamaan mustaksi aukoksi. Musta aukko nimittäin imee kumppanistaan materiaa itseensä. Aine kieppuu kohti mustaa aukkoa luoden valtavan kuumuuden ja lähettäen samalla suuren määrän voimakasta röntgensäteilyä ympäröivään avaruuteen.

Mikä on Schwarzschildin säde?

Mikäli mikä tahansa kappale, jonka massa on enemmän kuin kolme Auringon massaa, kyettäisiin puristamaan niin pieneen tilaan, ettei edes valo enää kykenisi karkaamaan sen pinnalta, siitä tulisi musta aukko.

Mikäli siis tunnetaan kappaleen massa, voidaan sille laskea säde, joka vastaa samanmassaisen mustan aukon sädettä. Tätä kutsutaan ns. Schwarzschildin säteeksi, ja se saadaan kaavasta

Rs = 2G M/c^2

missä
G = painovoimavakio 6.67*10^(-11) Nm^2/kg^2
M = massa
c = valonnopeus 300 000 km/s

Schwarzschildin säteen periaatteella esimerkiksi Aurinko pitäisi puristaa säteeltään vajaan kolmen kilometrin kokoiseksi kappaleeksi, että valo ei pääsisi karkaamaan sen pinnalta. Auringon massa on kuitenkin liian pieni, että siitä voisi tulla musta aukko.

Myös Linnunradan keskustassa on musta aukko

Tähtitieteilijät ovat pitkään epäilleet, että Linnunradan keskustassa on supermassiivinen musta aukko, jonka massa on kolme miljoonaa Auringon massaa. Saksalainen tähtitieteilijä Rainer Schödel tutki kymmenen vuoden ajan hyvin lähellä Linnunradan keskustaa kiertävän tähden liikettä. Schödelin tutkimuksissa kävi ilmi, että tähti kiertää 5000 kilometrin sekuntinopeudella Linnunradan keskusmassan ympäri ja että tähti on lähimmillään ainoastaan 17 valotunnin eli 18 miljardin kilometrin etäisyydellä keskustasta.

Schwarzschildin säteen periaatteella kolmen miljoonan Auringon massaisen kappaleen olisi mahduttava 9 miljoonan kilometrin halkaisijaisen alueen sisään, että se voisi jonkinlaisella varmuudella olla musta aukko. Schödelin tekemät havainnot eivät siis vielä antaneet 100%:sta varmuutta asiasta, mutta ne sijoittivat kolmen miljoonan Auringon massaisen kappaleen kuitenkin pienempään tilaan kuin mitkään aikaisemmat havainnot.

Taivaankappaleet