Tähtitiede:musta aukko
musta aukko
| musta aukko |
Jos maapallolta ammutaan kappale avaruuteen riittävän suurella nopeudella, se pystyy loittonemaan mielivaltaisen kauas. Pienin nopeus, jolla tämä on mahdollista, on nimeltään pakonopeus. Pakonopeus maapallon pinnalta on 11 kilometriä sekunnissa. Mustaa aukkoa ympäröi rajapinta, tapahtumahorisontti, jolla pakonopeus on sama kuin valon nopeus. Koska mikään nopeus ei voi ylittää valon nopeutta, tapahtumahorisontti muodostaa rajan, jonka takaa mikään ei pääse ulos. Tyypillisten tähtien massaisille mustille aukoille tapahtumahorisontin läpimitta on vain muutamia kilometrejä.
Koska valo ei pääse karkaamaan mustan aukon vetovoimakentästä, mustaa aukkoa on sangen vaikea havaita. Todisteet mustien aukkojen olemassaolosta ovatkin hyvin epäsuoria. Jos musta aukko kuuluu lähekkäiseen kaksoistähtijärjestelmään, siihen voi virrata ainetta toisesta komponentista. Syöksyessään kohti mustaa aukkoa tämä aine muodostaa sen ympärille kertymäkiekon. Kiekkoon törmäävä aine kuumenee ja lähettää havaittavissa olevaa säteilyä, yleensä röntgensäteilyä. Joutsenen tähdistön Cygnus X-1 on ensimmäinen tällainen kohde, jota on epäilty mustaksi aukoksi.
Suhteellisuusteorian mukaan kullakin havaitsijalla on oma luonnollinen tapansa mitata ajan kulumista. Jos havaitsijat ovat levossa toistensa suhteen ja lisäksi samassa avaruuden pisteessä, heidän kellonsa käyvät samalla nopeudella. Muussa tapauksessa he yleensä mittaavat aikaa eri tavoin, ja tapahtumien kulku näyttää eri havaitsijoiden mielestä erilaiselta.
Mustan aukon tapahtumahorisonttia lähestyttäessä aikaero tulee selvästi esille. Mustaa aukkoa kohti putoava havaitsija saavuttaa aukon keskipisteen omasta mielestään äärellisessä ajassa eikä tapahtumahorisontin ohittaessaan huomaa mitään erikoista, mitä nyt viimeistään silloin musertuu tohjoksi vuorovesivoimien vaikutuksesta. Hyvin kaukana olevan havaitsijan mielestä hän ei kuitenkaan koskaan näytä pääsevän horisontin ohi; putoaminen näyttää hidastuvan rajatta horisonttia lähestyttäessä.
Ajan hidastumisesta seuraa myös valon taajuuden pieneneminen. Gravitaatiopunasiirtymän lauseke voidaan kirjoittaa Schwarzschildin säteen avulla. Jos säteily lähtee taajuudella n etäisyydeltä r M-massaisesta kappaleesta, se havaitaan äärettömän kaukana taajuudella
nhavaittu = n (1 - 2 GM / rc 2 )1/2 = n (1 - RS / r )1/2,
Tästä nähdään, että säteilylähteen lähestyessä tapahtumahorisonttia lähestyy havaitun säteilyn taajuus nollaa.
Koska vetovoima on suunnattu massakeskipistettä kohti ja riippuu etäisyydestä, vaikuttaa jokaisen kappaleen eri pisteisiin yleensä suuruudeltaan ja suunnaltaan erilainen vetovoima. Tavallisesti tällä ei ole merkitystä, mutta kompaktien tähtien lähellä nämä vuorovesivoimat tulevat erittäin suuriksi. Niiden vaikutuksesta mustaan aukkoon putoavan aineen rakenne tuhoutuu, ja kaikki atomit ja alkeishiukkaset murskautuvat olomuotoon, josta nykyinen fysiikka ei pysty sanomaan mitään. Mustan aukon havaittavat ominaisuudet eivät riipu lainkaan siitä, mistä aineesta se on muodostunut.
Ainekoostumuksen lisäksi paljon muutakin informaatiota häviää tähden luhistuessa mustaksi aukoksi. Esimerkiksi magneettikenttä katoaa tähden mukana tapahtumahorisontin taakse. Mustalla aukolla voi olla vain kolme havaittavissa olevaa ominaisuutta: massa, impulssimomentti ja sähkövaraus.
On epätodennäköistä, että mustalla aukolla olisi merkittävää nettovarausta. Sen sijaan pyörimisliike on tähdille tyypillistä, joten mustien aukkojenkin täytyy pyöriä. Impulssimomentin säilymisen vuoksi mustaksi aukoksi luhistuneiden tähtien pyörimisnopeuksien on oltava huomattavan suuria.
Mustan aukon ympärillä on pallomainen tapahtumahorisontti. Pyörivää mustaa aukkoa ympäröi lisäksi pyörähdysellipsoidin muotoinen stationaarisuusraja, jonka sisäpuolella olevaa aluetta sanotaan ergosfääriksi.
Kenttäyhtälöiden ratkaisun pyörivälle mustalle aukolle esitti Roy Kerr 1963. Pyörivällä aukolla on tapahtumahorisontin lisäksi toinen rajapinta, ellipsoidin muotoinen stationaarisuusraja. Sen sisäpuolella olevia kappaleita ei mikään äärellinen energiamäärä pysty pitämään paikoillaan, vaan ne joutuvat kiertoliikkeeseen aukon ympäri. Stationaarisuusrajan ja tapahtumahorisontin väliin jäävän ergosfäärin alueelta on kuitenkin mahdollista päästä pois. Itse asiassa aukon pyörimisliikkeen energiaa on mahdollista käyttää hyväksi pudottamalla ergosfääriin kappale, josta osa jatkaa matkaansa mustaan aukkoon ja osa sinkoutuu ulos. Ulos tulevalla osalla voi silloin olla huomattavasti suurempi liike-energia kuin alkuperäisellä kappaleella.
Mustien aukkojen havaitsemiseen tunnetaan tällä hetkellä vain yksi käytännössä mahdollinen keino. Se perustuu kaksoistähtijärjestelmässä olevaan mustaan aukkoon putoavan aineen säteilyyn. Tavallisen komponentin Rochen rajan yli virtaa ainetta, joka muodostaa kiekon mustan aukon ympärille. Tämän kiekon sisäreunalta aine putoaa mustaan aukkoon. Kiekon hiukkasilla on hyvin suuria nopeuksia, ja ne voivat säteillä huomattavan osan massastaan, jopa 40 %, ennen aukkoon joutumistaan. Tämän säteilyn pitäisi näkyä lähinnä röntgenalueella.
Taivaalta on löytynyt joitakin tällaisia nopeasti ja epäsäännöllisesti muuttuvia röntgenlähteitä, joista lupaavin ehdokas mustaksi aukoksi on Cygnus X-1 Joutsenen tähdistössä. Sen säteily vaihtelee jopa 0.001 sekunnin aikaskaalassa, joten säteilyä lähettävän alueen täytyy olla kooltaan vain 0.001 valosekunnin eli muutaman sadan kilometrin luokkaa. Neutronitähdet ja mustat aukot ovat ainoita näin pieniä kohteita, joihin liittyy riittävän korkeaenergisiä prosesseja. Cygnus X-l on kaksoistähden HDE 226868 pienempi komponentti. Suurempi on optisesti havaittava ylijättiläinen, jonka massa on 20-25 Auringon massaa. Näkymättömän komponentin massaksi on laskettu 10-15 Auringon massaa. Tämä on paljon suurempi kuin neutronitähden teoreettinen yläraja, joten todennäköisesti Cygnus X-1 on musta aukko.
Ihmisiä on paljon peloteltu mustilla aukoilla. On kuitenkin muistettava, että mustat aukot noudattavat samoja dynamiikan lakeja kuin muutkin tähdet, eivätkä suinkaan kiertele pitkin maailmankaikkeutta ahmimassa sisuksiinsa viattomia sivullisia. Jos esimerkiksi Aurinko muuttuisi mustaksi aukoksi, jatkaisivat planeetat liikettään vanhoilla radoillaan ikään kuin mitään ei olisi tapahtunut.
Edellä on puhuttu vain tähdenmassaisista mustista aukoista. Mustat aukot voivat kuitenkin olla myös paljon suurempia. Galaksien yhteydessä puhutaan supermassiivisista mustista aukoista, joiden massat saattavat olla miljoonia tai miljardeja Auringon massoja. Supermassiiviset mustat aukot voivat selittää monia galaksien ytimissä ja kvasaareissa havaittuja ilmiöitä.
Erikieliset vastineet
| black hole | englanti (English) |
Käytetyt lähteet
Alaviitteet
Lähdeviittaus tähän sivuun:
Tieteen termipankki 5.11.2024: Tähtitiede:musta aukko. (Tarkka osoite: https://tieteentermipankki.fi/wiki/Tähtitiede:musta aukko.)