Musta aukko – selitys, tapahtumahorisontti ja Hawkingin säteily
Musta aukko – selitys, tapahtumahorisontti ja Hawkingin säteily: Ytimekäs opas mustien aukkojen synnystä, tapahtumahorisontista, Hawkingin säteilystä ja havainnoista.
Musta aukko on avaruuden alue, josta mikään — ei edes valo — ei voi paeta. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan tällainen kohde muodostuu, kun suuri määrä ainetta tai energiaa tekee massan niin tiheäksi, että se kaareuttaa avaruusaikaa voimakkaasti. Mustan aukon ympärillä on erillinen raja, jonka sisälle joutunut ei voi palata ulos: tämä raja on usein kuvattu yksinkertaisesti pallona. Jos jokin menee pallon sisään, se ei voi poistua sieltä; tätä rajaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi.
Tapahtumahorisontti, singulariteetti ja vaikutukset
Tapahtumahorisontti ei ole fyysinen pinta, vaan matematiikan määrittelemä alue, jonka takaa valo ei enää saa tietoa takaisin. Sen sisällä yleisen suhteellisuusteorian mukaan syntyy singulariteetti—piste, jossa aineen tiheys ja avaruusaikakaareutuma voivat kasvaa rajattomasti. Lähellä tapahtumahorisonttia näkyvät ilmiöt, joita voidaan havaita kauempaa: painovoiman aiheuttama aika-avaruuden venyminen saa esimerkiksi kellot kulkemaan hitaammin suhteessa kauempana oleviin havaitsijoihin, ja voimakkaat gradientit aiheuttavat niin sanottua spagettifikaatiota eli kappaleiden venymistä.
Miten mustia aukkoja havaitaan?
Koska musta aukko ei lähetä valoa suoraan, sitä etsitään sen vaikutuksista lähiympäristöön. Ihmiset löytävät niitä esimerkiksi seuraavilla tavoilla:
- Tähtien liikkeet: Tähtitieteilijät voivat mitata tähtien ratoja ja päätellä niiden liikkeiden perusteella keskuksessa olevan massan, jolloin löytyy todisteita mustan aukon olemassaolosta.
- Akkretiokiekko ja säteily: kun kaasua ja pölyä putoaa mustaan aukkoon, se muodostaa kuuman, kirkkaan akkretiokiekon, joka säteilee röntgen- ja gammasäteitä — näitä voi havaita sekä Maasta että Maata kiertävillä teleskoopeilla.
- Gravitaatioaallot: kahden mustan aukon fuusiosta syntyvät värähtelyt avaruudessa on havaittu gravitaatioaaltodetektoreilla, mikä tarjoaa suoraa todistetta fuusioista.
- Kuvantaminen tapahtumahorisontin läheisyydestä: Event Horizon Telescope -yhteistyö on tuottanut ensimmäisiä suoria kuvia mustan aukon varjosta suuressa läheisessä galaksissa (M87*), mikä vahvisti teoreettisia ennusteita.
Hawkingin säteily, lämpötila ja termodynamiikka
Vaikka mustat aukot ovat "mustia" klassisesti, kvanttimekaniikan vaikutukset tekevät tilanteesta monimutkaisemman. Kvanttimekaniikan ja kenttäteorioiden yhdistelmässä syntyy ilmiö, jota kutsutaan Hawkingin säteilyä. Tämän mukaan mustat aukot käyttäytyvät kuin kappale, jolla on lämpötila, säteilevät hitaasti ja menettävät siten massaa ajan kuluessa. Säteilyteho on kuitenkin kääntäen verrannollinen mustan aukon massaan: mitä suurempi massa, sitä pienempi lämpötila ja sitä hitaampi haihtuminen. Tämän vuoksi tähtitieteelliset mustat aukot menettävät massaa niin hitaasti, että niiden Hawkingin säteily on käytännössä huomaamatonta havaintovälineillä.
Tähän liittyy myös mustien aukkojen termodynamiikka: niillä on entropia, joka on verrannollinen tapahtumahorisontin pinta-alaan (Bekenstein–Hawking-entropia). Tämä yhteys termodynamiikan ja gravitaation välillä on yksi modernin teoreettisen fysiikan keskeisistä kysymyksistä ja viittaa siihen, että täydellinen teoria yhdistäisi kvanttimekaniikan ja gravitaation.
Tyypit ja synty
Mustia aukkoja on eri kokoisia ja syntymekanismeja:
- Stellaari-massaiset mustat aukot syntyvät suurten tähtien romahdettua supernovana.
- Välimassaiset mustat aukot ovat harvinaisempia ja niiden olemassaolo on osittain vielä epävarma.
- Supermassiiviset mustat aukot, joiden massat voivat olla miljoonia tai miljardeja kertoja suurempia kuin yksi aurinko, sijaitsevat monien galaksien keskustoissa ja vaikuttavat merkittävästi galaksin kehitykseen.
Fuusiot mustien aukkojen välillä kasvattavat niiden massaa ja synnyttävät voimakkaita tapahtumia, joista syntyy gravitaatioaaltoja ja joskus nopeita suihkuja materiaalia.
Esimerkki Linnunradasta
Tähtitieteilijät ovat keränneet todisteita siitä, että lähes jokaisen galaksin keskustassa on supermassiivinen musta aukko. Meidän omassa galaksissamme, Linnunradan keskuksessa sijaitsee radiolähde tunnettu nimellä Sagittarius A*, jonka ympärillä mittaukset viittaavat arviolta yli neljän miljoonan auringon massan suuruiseen keskukseen. Sydämen ympärillä kiertävien tähtien radat ja nopeat liikkeet ovat yksi tärkeimmistä todisteista tämän mustan aukon olemassaololle.
Mustien aukkojen sisäpuoli on edelleen tutkimuksen eturintamassa: nykyiset teoriat antavat erilaisia ennusteita singulariteetin luonteesta ja siitä, miten kvanttikentät käyttäytyvät äärimmäisissä olosuhteissa. Täydellinen ymmärrys vaatii todennäköisesti uutta teoriaa, joka yhdistää kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian.
Simulaatio mustan aukon aiheuttamasta gravitaatiolinssistä, joka vääristää taustalla olevan galaksin kuvaa (suurempi animaatio).
Supermassiivinen musta aukko Neitsyen tähdistössä sijaitsevan Messier 87 -nimisen ellipsinmuotoisen superjättiläisgalaksin ytimessä. Musta aukko kuvattiin ensimmäisenä suoraan (Event Horizon Telescope, julkaistu 10. huhtikuuta 2019).
Historia
Vuonna 1783 englantilainen pappi nimeltä John Michell kirjoitti, että voisi olla mahdollista, että jokin olisi niin painava, että sen painovoiman alta pääsemiseksi pitäisi kulkea valonnopeudella. Painovoima voimistuu, kun jokin asia on massiivisempi. Jotta pieni asia, kuten raketti, voisi paeta suuremmasta asiasta, kuten Maasta, sen on paettava Maan vetovoimaa tai se putoaa takaisin. Nopeutta, joka sen on kuljettava päästäkseen pois, kutsutaan pakonopeudeksi. Suuremmilla planeetoilla (kuten Jupiterilla) ja tähdillä on enemmän massaa, ja niiden painovoima on voimakkaampi kuin Maan. Siksi pakonopeuden pitäisi olla paljon nopeampi. John Michell piti mahdollisena, että jokin olisi niin suuri, että pakonopeuden olisi oltava valonnopeutta nopeampi, jolloin edes valo ei voisi paeta. Vuonna 1796 Pierre-Simon Laplace kirjoitti samasta ajatuksesta kirjansa Exposition du système du Monde ensimmäisessä ja toisessa painoksessa (se poistettiin myöhemmistä painoksista).
Jotkut tiedemiehet uskoivat Michellin olevan oikeassa, mutta toiset taas ajattelivat, että valolla ei ole massaa eikä painovoima vedä sitä puoleensa. Hänen teoriansa unohdettiin.
Vuonna 1916 Albert Einstein kirjoitti painovoiman selityksen, jota kutsutaan yleiseksi suhteellisuusteoriaksi.
- Massa saa avaruuden (ja avaruusajan) taipumaan eli kaartumaan. Liikkuvat asiat "putoavat" tai seuraavat avaruuden käyriä. Tätä kutsumme gravitaatioksi.
- Valo kulkee aina samalla nopeudella, ja painovoima vaikuttaa siihen. Jos se näyttää muuttavan nopeuttaan, se kulkee todellisuudessa avaruusajan kaarta pitkin.
Muutamaa kuukautta myöhemmin, ensimmäisen maailmansodan aikana, saksalainen fyysikko Karl Schwarzschild osoitti Einsteinin yhtälöiden avulla, että musta aukko voi olla olemassa. Schwarzschildin säde on pyörimättömän mustan aukon tapahtumahorisontin koko. Tämä säde oli mitta, jossa pakonopeus oli yhtä suuri kuin valonnopeus. Jos tähden säde on pienempi, valo ei pääse pakenemaan, ja kyseessä olisi pimeä tähti eli musta aukko.
Vuonna 1930 Subrahmanyan Chandrasekhar ennusti, että Aurinkoa raskaammat tähdet voivat romahtaa, kun niistä loppuu vety tai muu ydinpolttoaine. Vuonna 1939 Robert Oppenheimer ja H. Snyder laskivat, että tähden olisi oltava vähintään kolme kertaa niin massiivinen kuin Aurinko, jotta se muodostaisi mustan aukon. Vuonna 1967 John Wheeler keksi ensimmäisen kerran nimen "musta aukko". Sitä ennen niitä kutsuttiin "pimeiksi tähdiksi".
Vuonna 1970 Stephen Hawking ja Roger Penrose osoittivat, että mustia aukkoja on oltava olemassa. Vaikka mustat aukot ovat näkymättömiä (niitä ei voi nähdä), osa niihin putoavasta aineesta on hyvin kirkasta.
Keväästä 2019 lähtien oli kuva mustasta aukosta, tai pikemminkin mustaa aukkoa kiertävistä asioista. Kuvaan tarvittiin monia kuvia eri paikoista. Yksi ryhmän jäsenistä (Katie Bouman) teki kaikista kuvista koosteen yhdeksi ainoaksi kuvaksi.
Vuonna 2020 Roger Penrose, Reinhard Genzel ja Andrea Ghez saivat Nobelin fysiikan palkinnon mustien aukkojen teoriaa koskevasta työstään.
Mustien aukkojen muodostuminen
Valtavien (suurimassaisten) tähtien painovoimainen luhistuminen aiheuttaa "tähtimassaisia" mustia aukkoja. Maailmankaikkeuden alkuaikojen tähtien muodostuminen on saattanut synnyttää hyvin suuria tähtiä. Kun ne luhistuivat, ne muodostivat jopa 103 auringon massaisia mustia aukkoja. Nämä mustat aukot saattavat olla useimpien galaksien keskuksissa olevien supermassiivisten mustien aukkojen siemeniä.
Suurin osa gravitaatiolommahduksessa vapautuvasta energiasta vapautuu hyvin nopeasti. Kaukana oleva tarkkailija näkee, että aine putoaa hitaasti ja pysähtyy sitten juuri tapahtumahorisontin yläpuolelle gravitaation aiheuttaman aikadilataation vuoksi. Juuri ennen tapahtumahorisonttia vapautuva valo viivästyy äärettömän kauan. Tarkkailija ei siis koskaan näe tapahtumahorisontin muodostumista. Sen sijaan romahtava aine näyttää himmenevän ja siirtyvän yhä enemmän punasiirtymään ja lopulta häviävän.
Supermassiiviset mustat aukot
Mustia aukkoja on löydetty myös lähes kaikkien tunnetun maailmankaikkeuden galaksien keskeltä. Näitä kutsutaan supermassiivisiksi mustiksi aukoiksi (SBH), ja ne ovat kaikista suurimpia mustia aukkoja. Ne muodostuivat, kun maailmankaikkeus oli hyvin nuori, ja ne myös auttoivat muodostamaan kaikki galaksit.
Kvasaarien uskotaan saavan voimansa painovoimasta, joka kerää materiaalia supermassiivisiin mustiin aukkoihin kaukana sijaitsevien galaksien keskuksissa. Valo ei pääse pakenemaan kvasaarien keskellä sijaitsevista SBH:ista, joten pakeneva energia tehdään tapahtumahorisontin ulkopuolelle painovoiman aiheuttamien jännitteiden ja valtavan kitkan vaikutuksesta saapuvaan materiaaliin.
Kvasaareista on mitattu valtavia keskusmassoja (106 - 109 Auringon massaa). Useilla kymmenillä läheisillä suurilla galakseilla, joissa ei ole merkkejä kvasaarin ytimestä, on samanlainen keskeinen musta aukko ytimissään. Näin ollen ajatellaan, että kaikissa suurissa galakseissa on sellainen, mutta vain pieni osa niistä on aktiivisia (ja niissä on riittävästi akkreditiota säteilyn voimaksi), joten ne näkyvät kvasaareina.
Vaikutus valoon
Mustan aukon keskellä on gravitaatiokeskus, jota kutsutaan singulariteetiksi. Siihen on mahdotonta nähdä, koska painovoima estää valoa pääsemästä ulos. Pienen singulariteetin ympärillä on suuri alue, jonne imeytyy myös valoa, joka normaalisti kulkisi ohi. Tämän alueen reunaa kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Tapahtumahorisontin sisällä oleva alue on musta aukko. Mustan aukon painovoima heikkenee etäisyyden kasvaessa. Tapahtumahorisontti on paikka, joka on kauimpana mustan aukon keskipisteestä ja jossa painovoima on edelleen niin voimakas, että se vangitsee valon.
Tapahtumahorisontin ulkopuolella valo ja aine vetäytyvät edelleen mustaa aukkoa kohti. Jos mustaa aukkoa ympäröi aine, se muodostaa mustan aukon ympärille "akkretiolevyn" (akkretio tarkoittaa "kerääntymistä"). Akkrektiokiekko muistuttaa Saturnuksen renkaita. Kun aine imeytyy sisäänsä, se kuumenee ja lähettää röntgensäteilyä avaruuteen. Ajattele tätä niin kuin vettä, joka pyörii reiän ympärillä ennen kuin se putoaa sisään.
Useimmat mustat aukot ovat liian kaukana, jotta voisimme nähdä akkrektiokiekon ja suihkun. Ainoa tapa tietää mustan aukon olemassaolo on nähdä, miten tähdet, kaasu ja valo käyttäytyvät sen ympärillä. Kun musta aukko on lähellä, jopa tähden kokoiset kohteet liikkuvat eri tavalla, yleensä nopeammin kuin ne liikkuisivat ilman mustaa aukkoa.
Koska emme voi nähdä mustia aukkoja, ne on havaittava muilla keinoin. Kun musta aukko kulkee meidän ja valonlähteen välistä, valo taipuu mustan aukon ympärille ja luo siitä peilikuvan. Tätä vaikutusta kutsutaan gravitaatiolinssi-ilmiöksi.
Einsteinin risti: neljä kuvaa yhdestä kvasaarista
Taiteilijan kuva: musta aukko irrottaa läheisen tähden uloimman kerroksen. Sitä ympäröi energiakiekko, joka tuottaa säteilysuihkun.
Hawkingin säteily
Hawkingin säteily on mustan kappaleen säteilyä, jota musta aukko lähettää tapahtumahorisontin lähellä olevien kvanttiefektien vuoksi. Se on nimetty fyysikko Stephen Hawkingin mukaan, joka esitti teoreettisen perustelun sen olemassaolosta vuonna 1974.
Hawking-säteily vähentää mustan aukon massaa ja energiaa, ja siksi sitä kutsutaan myös mustan aukon haihtumiseksi. Tämä tapahtuu virtuaalisten hiukkas-antihiukkasparien vuoksi. Kvanttivaihteluiden vuoksi toinen hiukkasista putoaa sisään ja toinen pääsee pois energian/massan mukana. Tämän vuoksi mustien aukkojen, jotka menettävät enemmän massaa kuin ne saavat muilla keinoin, odotetaan kutistuvan ja lopulta katoavan. Mikromustien aukkojen (MBH) ennustetaan olevan suurempia säteilyn nettosäteilijöitä kuin suurempien mustien aukkojen, ja niiden pitäisi kutistua ja hävitä nopeammin.
Mustien aukkojen ominaisuudet
No hair -teoremin mukaan vakaalla mustalla aukolla on vain kolme toisistaan riippumatonta fysikaalista ominaisuutta: massa, varaus ja kulmavauhti. Jos tämä pitää paikkansa, kaksi mustaa aukkoa, joilla on samat arvot näille kolmelle ominaisuudelle, näyttävät samalta. Vuoteen 2020 mennessä on ollut epäselvää, päteekö no hair -teoreema todellisiin mustiin aukkoihin.
Ominaisuudet ovat erityisiä, koska kaikki kolme ominaisuutta voidaan mitata mustan aukon ulkopuolelta. Esimerkiksi varattu musta aukko hylkii muita samankaltaisia varauksia aivan kuten mikä tahansa varattu esine. Vastaavasti mustan aukon sisältävän pallon sisällä oleva kokonaismassa voidaan määrittää käyttämällä Gaussin lain gravitaatioanalogia kaukana mustasta aukosta. Kulmavauhti eli spin voidaan myös mitata kaukaa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on musta aukko?
A: Musta aukko on avaruuden alue, josta mikään, ei edes valo, ei voi paeta. Se alkaa olla olemassa, kun avaruusaika käyryttyy valtavan massan vaikutuksesta, ja sillä on tapahtumahorisontti, josta mikään sen sisällä oleva ei voi poistua.
K: Miksi mustat aukot ovat mustia?
V: Mustat aukot ovat mustia, koska ne imevät kaiken niihin osuvan valon eivätkä heijasta mitään, aivan kuten termodynamiikan täydellinen musta kappale.
K: Miten ihmiset löytävät mustia aukkoja?
V: Ihmiset löytävät mustia aukkoja seuraamalla jossain avaruudessa kiertävien tähtien liikkeitä tai kun kaasu putoaa mustaan aukkoon, kuumenee ja muuttuu hyvin kirkkaaksi, minkä voi nähdä Maan teleskoopeilla tai Maata kiertävillä teleskoopeilla.
Kysymys: Onko olemassa supermassiivisia mustia aukkoja?
V: Kyllä, tähtitieteilijät ovat löytäneet todisteita supermassiivisista mustista aukoista lähes kaikkien galaksien keskipisteissä. Vuonna 2008 tähtitieteilijät löysivät todisteita siitä, että yli neljän miljoonan auringon massan supermassiivinen musta aukko on lähellä Linnunradan Sagittarius A* -osaa.
Kysymys: Vaikuttaako kvanttimekaniikka siihen, miten katsomme mustia aukkoja?
V: Kyllä, kvanttimekaniikan mukaan mustilla aukoilla on lämpötila ja ne säteilevät Hawkingin säteilyä, joka saa ne hitaasti pienenemään.
K: Mitä tapahtuu mustan aukon sisällä?
V: Mustan aukon sisällä fysiikan säännöt ovat hyvin erilaiset kuin täällä maapallolla.
Etsiä