keskiviikko 2. maaliskuuta 2016

Kysymyksiä mustista aukoista

Taiteilijan näkemys mustasta aukosta.
Kuva Wikimedia Commons.

K: Mikä on musta aukko ja mitä on aukon toisella puolella?

V: Mustan aukon nimitys on hieman harahaanjohtava, sillä ”musta aukko” ei ole aukko sananvarsinaisessa merkityksessä. Musta aukko syntyy kun massiivinen tähti tulee kehityskaarensa loppupuolelle ja räjähtää supernovana. Jos alkuperäisen tähden massa on ollut riittävä, tähden ydin luhistuu ensin neutronitähdeksi ja lopulta mustaksi aukoksi.

Toinen tapa mustien aukkojen muodostumiseen on kaksoistähdissä. Toisiaan kiertävistä tähdistä massiivisempi kehittyy nopeammin ja riippuen tähden massasta, muuttuu valkoiseksi kääpiöksi tai neutronitähdeksi. Lopulta toinenkin alkuperäisistä tähdistä tulee kehityskaarensa päähän ja kokee ns heliumleimahduksen. Se tarkoittaa sitä, että kehityskaaren lopulla energian tuotanto tähden ytimessä siirtyy heliumin fuusiointiin. Tällöin tähden lämpötila kohoaa ja tähti laajenee punaiseksi jättiläiseksi.

Joskus punainen jättiläinen ja valkoinen kääpiö- tai neutronitähti kiertää niin lähellä toisiaan, että punaiseksi jättiläiseksi laajentunut tähti alkaa menettää massaansa kumppanilleen. Siinä vaiheessa kun massaa on siirtynyt riittävästi, kumppani räjähtää supernovana. Jos kumppani tähti oli neutronitähti, se luhistuu mustaksi aukoksi. Vastaavasti valkoinen kääpiötähti luhistuu neutronitähdeksi tai hajoaa supernovaräjähdyksessä kokonaan.

Musta aukko on hyvin pieneen tilavuuteen luhistunut tähden ydin. Mitkään aineen rakennetta ylläpitävät sähköiset ja muut luonnon perusvoimista eivät kykene estämään aineen luhistumista ja niinpä lopputuloksena on, että mustaan aukkoon joutunut aine päätyy musta aukon keskelle singulariteetiksi; äärimmäisen pieneksi pisteeksi, jolla on tähden koko massa.

Galaksien ytimissä on supermassiivisia mustia aukkoja.
Kuva Wikimedia Commons.
Edellä kuvatussa prosessissa syntyy ns. tähdenmassaisia mustia aukkoja.

Galaksien ytimissä sijaitsevia ja ilmeisesti myös siellä syntyneet miljoonien tai kymmenien miljoonien auringonmassaisten mustien aukkojen synty on vielä selvittämättä. Ilmeisesti mustat aukot yhdistyvät galaksien yhdistyessä ja näin niistä syntyy aina vain massiivisempia. Yhdistymisteoria ei kuitenkaan selitä sitä, mistä muinaisiin pieniin galakseihin syntyi supermassiivisia mustia aukkoja heti niiden muodostuttua. Ilmeisesti ensimmäiset supermassiiviset mustat aukot syntyivät itse alkuräjähdyksessä.

Heti kun musta aukko on muodostunut, sen ympärille aiheutuu tapahtumahorisontiksi nimetty raja. Kyseessä ei varsinaisesti ole mikään fyysinen raja, vaan etäisyys, josta poistumiseen mustan aukon ulkopuolelle ei edes massattoman valon nopeus riitä. Kaikki aine, joka päätyy tämän rajan sisäpuolelle, syöksyy singulariteettiin.

Kerrin musta aukkoja. Kuva Wikimedia Commons.
Ilmeisesti kaikki mustat aukot pyörivät itsensä ympäri, jolloin niitä kutsutaan Kerrin aukoksi. Tällöin tapahtumahorisontin välittömästi liittyen syntyy ergosfääriksi nimetty alue, jossa aika-avaruus pyörii valonnopeudella mustan aukon ympäri. Ergosfääri on tapahtumahorisontin ulkopuolella, joten ainakin teoriassa tältä alueelta vielä pääsisi poistumaan mustan aukon vaikutuspiiristä.

Vaikka musta aukko ei ole aukko ja sen toisella puolella ei ole mitään, usein puhutaan singulariteetistä lähtevästä madonreiästä. Tieteellisesti kyse on Einsteinin–Rosenin sillasta (asialle on muitakin nimityksiä) ja sen ajatellaan olevan äärimmäisen ohut kanava tai tunneli aika-avaruudessa. Tunneli johtaisi aika-avaruuden johonkin toiseen kolkkaan, johon syntyisi ns. valkoinen aukko.

Einsteinin–Rosenin silta olisi kuitenkin hyvin kapea ja sen kautta ei pääse siirtymään edes pieninkään hiukkanen. Kaiken lisäksi John Weeler ja Robert Fuller osoittivat vuonna 1962, että madonreiät olisivat äärimmäisen epävakaita ja katoaisivat heti, kun sellainen olisi muodostunut. Näin ollen valkoisia aukkoja ei ole olemassa ja madonreikä on vain suhteellisuusteorian luoma matemaattinen malli, jolla ei ole todellista vastinetta luonnossa.

K: Voiko mustan aukon nähdä?

V: Vastaus riippuu siitä, mitä tarkoitetaan näkemisellä? Jos näkemisellä ymmärrämme mustasta aukosta tulevan valon havaitsemista, niin silloin vastaus on ei. Itse mustasta aukosta ei voi tulla mitään sähkömagneettista säteilyä. Vastaus ei kuitenkaan ole aivan tyhjentävä, sillä käytettävissämme on joitakin keinoja, joilla voimme ainakin paikantaa tai osoittamaan mustan aukon olemassa olon.

Joutsenen tähdistö. Kuva Wikimedia Commons.
Musta aukko vaikuttaa ympäristöönsä monella tavalla. Etenkin galaksien keskustoissa olevien supermassiivisten mustien aukkojen vaikutuspiiriin joutuu tähtiä, jotka kiertävät sitä. Tällöin voimme havaita tähdet monillakin eri aallonpituuksilla, mutta ne näyttävät kiertävän tyhjässä avaruudessa. Tähtien ratoja havaitsemalla pystymme laskemaan musta aukon sijainnin ja massan ja näin olemme tulleet ”näkeneeksi” mustan aukon!

Jos mustaan aukkoon putoaa ainetta, esimerkiksi jokin tähti ajautuu mustan aukon läheisyyteen siten, että tähti ylittää Rochen rajan, silloin voimme nähdä tähän tapahtumaan liittyvää sähkömagneettista säteilyä. Mustan aukon lähellä tähti riipiytyy gravitaation vaikutuksesta kaasupilveksi, joka päätyy lopulta mustaan aukkoon. Aineen putoaminen ei kuitenkaan tapahdu suoraviivaisesti, vaan se muodostaa mustan aukon ympärille ns. kertymäkiekon. Kertymäkiekossa aineen tiheys ja lämpötila kohoavat hyvin suureksi ja aine säteilee kaikilla sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksilla radioaalloista aina gammasäteilyyn asti. Ja tämän säteilyn pystymme havaitsemaan!

Kolmas tapa "nähdä" mustia aukkoja on tai olisi havaita ns. Hawkingin säteilyä. Se syntyy mustan aukon tapahtumahorisontissa fluktuaatioksi nimetystä virtuaalihiukkasten ilmestymisen seurauksena. Hiukkaset (tavallisimmin fotoneita) syntyvät aina pareittain ja toinen niistä päätyy mustaan aukkoon. Toinen virtuaalinen hiukkanen puolestaan saa prosessissa hieman lisäenergiaa, muuttuu todelliseksi hiukkaseksi ja poistuu mustan aukon vaikutuspiiristä. 

Hawkingin säteilyn seurauksen mustat aukot tavallaan ”kiehuvat” ja menettävät massaansa. Hawkingin säteily on sitä voimakkaampaa mitä pienemmästä mustasta aukosta on kysymys. Lopulta musta aukko on enää vuoren massainen, jolloin Hawkingin säteily on niin voimakasta, että musta aukko katoaa hetkessä. Tämän viimehetken pystyisimme havaitsemaa kohtuullisen kirkkaan valonvälähdyksenä!

Yksittäinen ja paljas musta aukko voi toimia myös gravitaatiolinssinä ns. mikrolinssinä. Mikrolinssi-ilmiön voi aiheuttaa monet muutkin avaruuden kohteet kuten vapaat planeetat, ruskeat kääpiötähdet tai eksoplaneetat, joten ilmiön aiheuttajaa emme useinkaan pysty selvittämään ja sen osoittaminen mustaksi aukoksi on vaikeaa.

Mikrolinssin aiheuttavat kappale liikkuu avaruudessa. Silloin tällöin se joutuu jonkin etäisen ja ehkä himmeän kohteen eteen, jolloin musta aukon (tai muun kappaleen) gravitaatio toimii linssinä ja kirkastaa etäisen kohteen valoa optisen linssin tavoin jonkin aikaa. Ilmiö ei enää saman kohteen kohdalla toistu.

Aivan uusi tapa havaita mustia aukkoja on juuri nyt tulossa käytettäväksi. Kyseessä on gravitaatioaallot ja menetelmällä voidaan havaita toisiaan kiertäviä mustia aukkoja tai muita massiivisia kohteita. Toistaiseksi gravitaatioaaltoja on varmasti havaittu vain kaksi kertaa (v. 2015) ja riittävän herkkiä gravitaatio-observatorioita on vain kaksi, joten paikan määritys on hyvin epätarkkaa. Muutaman vuoden kuluttua, kun toimivia ja riittävän herkkiä observatorioita on enemmän, paikan määritys tarkentuu ja voimme tietää tarkasti missä mustat aukot ovat.

Näiden havaitsemistapojen lisäksi on olemassa joitakin muitakin menetelmiä mustien aukkojen olemassa olon varmistamiseksi.

K: Kuinka laaja mustan aukon tapahtumahorisontti on?

Kuva Wikimedia Commons.
V: Jos tunnemme mustan aukon massan, niin hyvin yksinkertaisella laskutoimituksella pystymme selvittämään tapahtumahorisontin koon (= Schwarzshildin säde). Jokaista auringonmassaa kohti tapahtumahorisontin säde on noin 3 km (~2,95 km). Noin ollen Linnunradan keskustassa oleva noin 4 miljoonan auringonmassaisen mustan aukon tapahtumahorisontin säde on noin 12 miljoona km. Se vastaa noin 1/5 Merkuriuksen radan säteestä.

K: Mitä tapahtuisi jos Aurinko muuttuisi tai salaperäisesti korvautuisi mustaksi aukoksi?

V: Ensinnäkin, Aurinko on aivan liian pieni kappale muuttuakseen mustaksi aukoksi. Auringosta tulee noin viiden miljardin vuoden kuluttua ensin punainen jättiläinen ja sen jälkeen se luhistuu maapallon kokoiseksi valkoiseksi kääpiötähdeksi.

Vastaus itse kysymykseen on, että tapahtumia olisi hyvin vähän. Maapallo jatkaisi Auringon kiertämistä kuten tähänkin asti. Musta aukko ei kuitenkaan säteile minkäänlaista valoa, joten aurinkokuntamme muuttuisi hyvin pimeäksi ja kylmäksi paikaksi. Maapallollakin lopulta ilmakehä tiivistyisi happi- ja typpijääksi maapallon pinnalle. Elämää ei tietystikään tällaisissa olosuhteissa esiintyisi!

K: Missä sijaitsee lähin tunnettu musta aukko?

V: Lähin tunnettu musta aukko on noin 2 800 valovuoden etäisyydellä sijaitseva V616 Mon. Se on kaksoistähtijärjestelmässä ja mustan aukon massa on noin 11 auringonmassaa. Sen kumppanitähti on hyvin pieni, vain noin 0,5 auringonmassainen. Kumppani kiertää mustaa aukkoa noin 7,75 tunnissa.

Cygnus X-1. Kuva Wikimedia Commons.
Toiseksi lähin musta aukko sijaitsee röntgen- ja radiosäteilystään tunnetussa Cycnus X-1:ssä. Se sijaitsee Joutsenen tähdistössä noin 6 070 valovuoden etäisyydellä ja mustan aukon massaksi lasketaan 14,8 auringonmassaa. Cygnus X-1 on kaksoistähtijärjestelmässä, jonka näkyvä tähti on ylijättiläistähti, joka tunnetaan luettelotunnuksella HDE 226868. Tähdet kiertävät toisiaan vain 0,2 au etäisyydellä (noin 1/5 Maan etäisyydestä Auringosta) ja kierto aika on 5,6 vrk.

Yksi varmimmista kandidaateista mustaksi aukoksi sijaitsee myös Joutsenen tähdistössä. Se tunnetaan luettelotunnuksella V404 Gycni. Kohde on tavallisesta Auringon kaltaisesta tähdestä (spektriluokka G) ja noin 12 auringonmassaisesta näkymättömästä kohteesta koostuva kaksoistähti. Tähtien kiertoaika on noin 6,5 vrk.

Mustan aukon etäisyys on noin 7 800 valovuotta. Itse mustasta aukosta saamme hyvin harvoin mitään havaintoja, ainoastaan joskus useiden vuosien välein havaitsemme kohteen lähettävän röntgensäteilyä.

K: Mitä tiedämme Linnunradan keskustassa olevasta mustasta aukosta?

V: Linnunradan keskustassa oleva musta aukko, jonka tunnemme nimellä Sagitarius A*, on massaltaan noin 4,3 miljoonaa auringonmassaa. Emme pysty tekemään siitä suoria havaintoja, mutta radioaalloilla ja infrapunaisella aallonpituudella valokuvaamalla saamme siitä joitakin tietoja.

Linnunradan keskusta sijairtsee oikeaal näkyvän vaaleaan
alueen keskellä. Kuva Wikimedia Comons.
Mustaa aukko kiertää ainakin satakunta Wolf-Rayet-tähteä, joista parinkymmentä hyvin lähellä mustaa aukkoa. Tähtiä havaitsemalla tutkijat ovat pystyneet laskemaan musta aukon massan.

Sagitarius A* säteilee voimakkaasti myös röntgensäteilyä. Etenkin tammikuussa 2015 havaittiin voimakkuudeltaan jopa 400-kertainen röntgenpurkaus aikaisempaan verrattuna. Tutkijat arvelevat, että purkauksen aiheutti asteroidin massaa vastaava ainemäärän joutuminen mustaa aukkoon. Tutkijat laskevat, että kaasua ajautuu mustaan aukkoon ainakin kolmisen vuosikymmentä ja se tietää edelleen voimistunutta röntgensäteilyä.

Tietokonesimulaatio mustaan aukkoon putoavasta kaasusta.
Kuva Wikimedia Commons.














Alla linkki ESOn tuottamaan videoon Linnunradan keskustassa olevasta musta aukosta.


https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/transcoded/1/1d/A_Black_Hole%E2%80%99s_Dinner_is_Fast_Approaching_-_Part_2.ogv/A_Black_Hole%E2%80%99s_Dinner_is_Fast_Approaching_-_Part_2.ogv.360p.webm


K: Imeekö musta aukko kaikki tähdet ja planeetat itseensä?


V: Vastaus on yksiselitteisesti ei. Mustaan aukkoon ajautuu ainoastaan materiaa, joka joutuu sen välittömään läheisyyteen. Mustassa aukossa ei ole mitään erityisvoimaa, joka ”imisi” kaiken materian itseensä. Ainoa voima, joka mustalla aukolla on käytettävissään, on sen massaa vastaava gravitaatio! Tämä sama voima on kaikilla galakseilla, tähdillä, planeetoilla ja kuilla. Musta aukko ei tässä suhteessa poikkea mitenkään esimerkiksi vastaavan massaisesta tähdestä.