Mustat aukot:
Kaikkein massiivisimmat tähdet viettävät eläkepäivänsä mustina aukkoina. Mustat aukot ovat niin tiheitä, ettei edes valo (sähkömagneettinen säteily) pysty poistumaan sen aiheuttamasta vetovoimasta. Tästä syystä myös sen nimitys. Mustaa aukkoa ei siis pystytä havaitsemaan suoraan, mutta epäsuorat havainnot ovat mahdollisia. Galaktisia mustia aukkoja pystytään havaitsemaan niiden ollessa vuorovaikuttavissa röntgenkaksoistähtijärjestelmissä. Näissä järjestelmissä jokin kompakti tähti imee materiaa normaalista kumppanitähdestä. Tällöin sen ympärille muodostuu ns. kertymäkiekko (accretion disk) ja tämän kiekon röntgensäteilyn avulla voidaan päätellä kyseessä olevan juuri jonkinlainen kompakti tähti. Joissakin tapauksissa kaksoistähtien komponenttien massat on pystytty määrittämään ja esimerkiksi Cygnus X-1:n tapauksessa kompaktin tähden massaksi on pystytty määrittämään noin 10 - 15 auringon massaa. Koska kaikki yli kolme auringon massaa suuremmat kompaktit tähdet ovat mustia aukkoja kuten aiemmin todettiin, tämä on selkeä todiste mustien aukkojen olemassaolosta.
Kuva 7: Cygnus X-1 (Credit; ESA/Hubble)
Mustalla aukolla on astrofysikaalisessa mielessä vain kaksi ominaisuutta: massa ja pyörimisliike. Mustat aukot voidaan luokitella näiden kahden ominaisuuden mukaan. Alle sadan auringon massan mustia aukkoja kutsutaan GBH:ksi (Galactic Black Hole / Galaktinen musta aukko), ja niitä on pystytty epäsuorasti havaitsemaan useissa kaksoistähtijärjestelmissä.
Sadan ja noin kymmenentuhannen auringon massan välillä ovat IMBH:t (Intermediate Mass Black Hole / keskimassiivinen musta aukko). Viimeisien vuosien aikana on esitetty, että ULX:t (Ultraluminous X-ray source) voisivat olla näitä IMBH:ita, joiden kertymäkiekot aikaansaisivat havaitut ULX:ien ominaisuudet. ULX:iä voidaan kuitenkin mallintaa muillakin fysikaalisilla malleilla, joten IMBH:iden olemassaoloa ei vielä ole pystytty todistamaan nykyisten havaintojen perusteella.
Kolmas mustien aukkojen luokka on supermassiiviset mustat aukot (SMBH = Super Massive Black Hole). Niiden massat ovat miljoonasta miljardiin auringon massaan. Aktiivisten galaksien ytimistä (AGN = Active Galactic Nuclei) onkin havaittu näitä supermassiivisia mustia aukkoja ja viime aikoina on saatu tutkimustuloksia, joiden mukaan jokaisen galaksin, myös Linnunradan keskustassa olisi tällainen supermassiivinen musta aukko. (ULX:stä, SMBH:stä ja AGN:stä on tietoa enemmän ekstragalaktisen tähtitieteen osiossa.)
Mustia aukkoja on myös kahden tyyppisiä. Schwarzschildin ja Kerrin mustia aukkoja. Näiden kahden tyypin erotuksena on niiden pyörimisliike. Schwarzschildin musta aukko ei pyöri ollenkaan ja Kerrin musta aukko pyörii.
Kuva 8: Vasemmalla, Schwarzschildin musta aukko; Oikealla, Kerrin musta aukko (Credit; N. Rumiano)
Mustaa aukkoa ympäröi tapahtumahorisontti (Event horizon), jonka sisäpuolelta ei mikään pysty pakenemaan. Tapahtumahorisontin koon määrittää Schwarzschildin säde, joka on suoraan verrannollinen mustan aukon massaan. Kerrin mustan aukon tapauksessa tapahtumahorisontti on litistynyt pyörimisliikkeen takia ellipsin muotoiseksi, ja sen isoakselin koko on puolet Schwarzschildin säteestä. On kuitenkin ymmärrettävä, että tapahtumahorisontti ei ole mikään fysikaalinen mustan aukon pinta vaan se on vain matemaattinen rajapinta, jonka sisäpuolelta ei informaatiota voi saada. Koska mustan aukon massan on oltava vähintään kolmen auringon massan kokoinen (ks. neutronitähdet), on tästä syystä tapahtumahorisontin säteen oltava ainakin yli 5 km.
Suhteellisuusteorian mukaan kaukana olevan havaitsijan mielestä tapahtumahorisontin etäisyydellä mustasta aukosta myös aika on pysähtynyt. Eli jos tapahtumahorisonttiin putoaa jokin kappale ja tätä putoamista tarkastellaan kaukaa, kappale ei koskaan näytä saavuttavan tapahtumahorisonttia. Kappaleen mukana liikkuvan havaitsijan mielestä kappale (ja myös havaitsija) kuitenkin putoavat mustaan aukkoon kiihtyvällä nopeudella. Tämä eriskummallisuus on seurausta ajan dilaatiosta.
Tapahtumahorisontti kätkee sisälleen mustan aukon singulariteetin, jota ei "kosmisen sensuurin lain" (law of cosmic sensorship) takia voida nähdä. Tämän saman lain takia Kerrin mustilla aukoilla on pyörimisnopeuden yläraja, sillä muuten singulariteetti leviäisi tapahtumahorisontin ulkopuolelle. Singulariteetti on Schwarzchildin mustan aukon tapauksessa rakenteeltaan hyvin yksinkertainen, mutta kuitenkin hyvin erikoinen. Nimittäin singulariteetin tilavuus on nolla ja sen tiheys on ääretön. Tämän takia jopa aika-avaruus on kaareutunut äärettömyyteen singulariteetissä. Kerrin mustan aukon tapauksessa singulariteetti on pyörimisakselia vastaan kohtisuoraan suuntautunut rengas.
Kerrin musta aukko poikkeaa Schwarzchildin mustasta aukosta myös siinä, että Kerrin mustan aukon ympärillä on ergosfääri. Ergosfäärin sisällä mustan aukon pyörimisliikkeen aikaansaama "frame dragging efekti" on niin voimakasta, että kaikkien kappaleiden liikkeiden on oltava mustan aukon pyörimisliikkeen suuntaista. Ergosfäärin ulkopintaa kutsutaan stationaarisuusrajaksi, jonka ulkopuolella "normaali" liike on mahdollista.
Mustissa aukoissa mikään nykyinen fysikaalinen laki ei päde, ei edes suhteellisuusteoria, joten mustien aukkojen rakennetta selittämään tarvitaan uusia fysikaalisia teoriota. Vaikka mustan aukon rakennetta ei nykyfysiikka pystykään selvittämään, englantilainen matemaatikko Roger Penrose pystyi todistamaan singulariteetin olemassaolon vuonna 1965.
Kuva 9: Vasemmalla, Hawkingin säteily; Oikealla, Stephen Hawking (Credits; Left http://universe-review.ca, Right http://abel.math.umu.se)
Mustat aukot eivät kuitenkaan todellisuudessa ole täysin mustia. Ne nimittäin säteilevät Hawkingin säteilyä (Hawking radiation). Hawkingin säteily ei ole sähkömagneettista säteilyä kuten röntgen- tai radiosäteily vaan se on hiukkassäteilyä. Hawkingin säteilyn periaate on "normaali" parin muodostus prosessi aivan mustan aukon tapahtumahorisontin läheisyydessä. Parin muodostuksella tarkoitetaan hiukkas-antihiukkas parin syntyä. "Normaalissa" avaruudessa tällainen pari annihiloituu erittäin nopeasti, mutta mustan aukon tapahtumahorisontin läheisyydessä toinen hiukkasista voi pudota mustan aukon tapahtumahorisontin sisäpuolelle jolloin annihilaatiota ei tapahdu ja jäljelle jää yksi hiukkanen. Kuitenkaan materiaa ei voi niin sanotusti "nyhjäistä tyhjästä" eli materian täytyy olla peräisin mustasta aukosta. Tämän Hawkingin säteilyn takia musta aukko menettää massaa ja erittäin pitkän ajan (paljon enemmän kuin universumin ikä) kuluessa se evaporoituu täydellisesti.
Lähteet (Carroll, Ostlie ; Modern astrophysics), (Karttunen ; Tähtitieteen perusteet)
|
