Musta aukko

Wikipedia

Usean eri observatorion ottamia kuvia ja röntgensäteilymittauksia galaksista Centaurus A, jonka keskustassa on mahdollisesti supermassiivinen musta aukko.

Musta aukko on massakeskittymä, jonka painovoima on niin suuri, että sen pakonopeus ylittää valonnopeuden. Tällöin edes valo ei pääse pakenemaan sieltä, ja kohde näyttää mustalta. Ensimmäisenä termiä 'musta aukko' käytti vuonna 1967 John Wheeler, mutta jo vuonna 1784 englantilainen geologi John Michell pohti ajatusta, ja häneltä luultavasti sai vaikutteita Laplace, joka teoksessaan Exposition du système du Monde (Maailmanjärjestelmän esitys, 1796) esitti maininnan ”taivaankappaleesta, jonka vetovoima voisi olla niin suuri, että valo ei voi virrata siitä ulos”.

[muokkaa] Havaitseminen

Mustien aukkojen suora havaitseminen on vaikeaa. Ne voi havaita vain sen vaikutuksen perusteella, joka niillä on ympäristöönsä. Esimerkiksi valon taipuminen tai tähden kiertäminen ympäri pistettä, jossa ei näytä olevan mitään, antaa viitteen mustan aukon olemassaolosta. Koska materian syöksyessä mustaan aukkoon syntyy voimakasta röntgensäteilyä, on voimakas röntgenlähde myös mahdollinen musta aukko.

[muokkaa] Rakenne

Mustan aukon keskus on singulariteetti. Se on pistemäinen kohde, johon on keskittynyt kaikki mustan aukon massa; atomin, tähden tai jopa miljoonien tähtien massa. Mustan aukon näkyvä raja, jonka sisäpuolella pakonopeus ylittää valonnopeuden, on nimetty tapahtumahorisontiksi.

Pyörivällä mustalla aukolla on vielä toinenkin tapahtumahorisontti, ellipsin muotoinen stationaarisyysraja. Se on raja jonka sisäpuolella mikään kappale ei voi pysyä levossa, vaan musta aukko tempaisee kaiken sinne joutuvan vastustamattomaan pyörimisliikkeeseen. Stationaarisyysrajan ja tapahtumahorisontin välistä aluetta kutsutaan ergosfääriksi. Osa ergosfääriin joutuvasta aineesta sinkoutuu ulos mustan aukon vaikutuspiiristä.

Teoreettisessa astrofysiikassa tunnetaan myös valkoinen aukko, mutta niiden olemassaolosta ei ole edes epäsuoraa havaintoa. Valkoinen aukko on nimensä mukaisesti mustan aukon vastakohta, joka sylkee ulos valoa ja ainetta, joka mahdollisesti on lähtöisin jostakin toisesta maailmankaikkeudesta. Valkoisten aukkojen ongelmana on, että niiden sylkemä aine tiivistyisi todennäköisesti hyvin nopeasti oman painovoimansa vaikutuksesta, ja luhistuisi mustaksi aukoksi, joka nielaisisi valkoisen aukon. Jos valkoisia aukkoja on olemassa, ne voisivat teoriassa tarjota ehtymättömän energianlähteen, mikäli niiden tuottama aine ja energia voitaisiin kerätä talteen ja hyödyntää.

Mustista aukoista on olemassa kolme mallia:

• Schwarzschildin aukko: pyörimätön musta aukko, jolla on vain singulariteetti ja tapahtumahorisontti
• Kerrin aukko: pyörivä musta aukko, jolla on edellisten lisäksi myös ergosfääri
• Reissner-Nordströmin aukko: sähkövarauksellinen musta aukko, jolla on kaksi sisäkkäistä tapahtumahorisonttia, joiden välissä aika- ja avaruuskoordinaatit vaihtavat paikkaa

Teoreettinen astrofysiikka tuntee myös käsitteen alaston singulariteetti; tällainen syntyy, mikäli aukon pyörimisnopeus ylittää Schwarzschildin säteen kohdalla valon nopeuden. Tällöin tapahtumahorisontti repeytyy ja paljastaa sisällä olevan singulariteetin.

[muokkaa] Syntymekanismi

Musta aukko syntyy raskaimmista tähdistä yleensä supernovaräjähdyksessä. Kappale luhistuu mustaksi aukoksi, jos sen säde alittaa Schwarzschildin säteenä tunnetun matkan. Tämän etäisyyden sisäpuolella aika-avaruus on niin vahvasti kaareutunut, että jokainen valonsäde pyrkii kohti keskustaa. Koska teoreettinen pakonopeus on mustalla aukolla valonnopeutta suurempi, kaikki materia Schwarzschildin säteen sisäpuolella luhistuu keskustaa kohti.

Schwarzschildin säde voidaan laskea kaavasta:

,

jossa G on gravitaatiovakio ( Nm²/kg²), M on kohteen massa ja c on valon nopeus. Massaltaan Maan kokoisen kappaleen Schwarzschildin säde on noin 9 mm.

Galaksien ytimissä uskotaan olevan supermassiivisia mustia aukkoja, jotka eivät ole syntyneet tähtien luhistumisesta. Niiden syntytapa on vielä tuntematon, mutta kaksi parasta selitystä ovat galaksin syntymisen yhteydessä tapahtunut materian kertyminen ja alkuräjähdyksen yhteydessä syntyminen. Näiden kahden yhdistelmää on myös tarjottu syntyteoriaksi.

Mustien aukkojen arvellaan pystyvän menettämään massaansa Hawkingin säteilynä.

[muokkaa] Kirjallisuutta

[muokkaa] Suomeksi

• Adams, Fred & Greg Laughlin (2002): Maailmankaikkeuden elämäkerta: Ikuisuuden fysiikkaa. (Alkuteos: Five Ages of the Universe: Inside the Physics of Eternity, 1999.) Suomentanut J. Pekka Mäkelä. Helsinki: Like. ISBN 952-471-018-8.

• Al-Khalili, Jim (2001): Mustia aukkoja, madonreikiä ja aikakoneita. (Alkuteos: Black Holes, Wormholes and Time Machines, 1999.) Suomentanut Hannu Karttunen. Helsinki: Art House. ISBN 951-884-301-5.

• Enqvist, Kari (2005): Suhteellisuusteoriaa runoilijoille. Helsinki: WSOY. ISBN 951-0-30082-9.

• Greene, Brian (2005): Kosmoksen rakenne: Avaruus, aika ja todellisuus. (Alkuteos: The Fabric of Cosmos: Space, Time and the Texture of Reality, 2004.) Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Terra Cognita. ISBN 952-5202-83-6.

• Greene, Brian (2000): Kätketyt ulottuvuudet: Supersäikeet, ajan halkeamat ja maailmanselityksen haaste. (Alkuteos: The Elegant Universe: Superstrings, Hidden Dimensions, and the Quest for the Ultimate Theory, 1999.) Suomentanut Mikko Vänttinen. Helsinki: Tammi. ISBN 951-31-1650-6.

• Hawking, Stephen W. (2000): Ajan lyhyt historia. (Alkuteos: The Illustrated A Brief History of Time, 1996.) Tarkistettu ja täydennetty, kuvitettu laitos. Suomentanut Risto Varteva. Porvoo Helsinki Juva: WSOY. ISBN 951-0-19440-9.

• Hawking, Stephen W. (2003): Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa. (Alkuteos: The Universe in a Nutshell, 2001.) Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY. ISBN 951-0-28400-9.

• Kaku, Michio (1996): Hyperavaruus. (Alkuteos: Hyperspace: A Scientific Odyssey Through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension, 1995.) Suomentanut Kimmo Pietiläinen. Helsinki: Art House. ISBN 951-884-192-6.

• Maalampi, Jukka (toim.) (2001): Minne menet, maailmankaikkeus?: Kirjoituksia kosmoksesta. Helsinki: Fysiikan kustannus. ISBN 951-97790-0-0.

• Rees, Martin (2000): Ennen alkua: Oma maailmankaikkeutemme ja muut. (Alkuteos: Before the Beginning: Our Universe and Others, 1998.) Ursan julkaisuja 75. Suomentanut Hannu Karttunen. Helsinki: Ursa. ISBN 952-5329-08-9.

• Smolin, Lee (2002): Kvanttipainovoima. (Alkuteos: Three Roads to Quantum Gravity: A New Understanding of Space, Time and the Universe, 2001.) Tieteen huiput. Suomentanut Risto Varteva. Helsinki: WSOY. ISBN 951-0-26895-X.

• Tähtinen, Leena (2001): Kuolleiden kanssa kassajonossa: Tieteellistä aikamatkailua. Helsinki: WSOY. ISBN 951-0-24866-5.

• Valtonen, Mauri (1992): Kvasaareja ja mustia aukkoja. Ursan julkaisuja 45. Helsinki: Tähtitieteellinen yhdistys Ursa. ISBN 951-9269-63-0.

[muokkaa] Englanniksi

• Pickover, Clifford (1998): Black Holes: A Traveler's Guide. Wiley, John & Sons, Inc. ISBN ISBN 0-471-19704-1.

• Ferguson, Kitty (1991): Black Holes in Space-Time. Watts Franklin. ISBN 0-531-12524-6.

• Thorne, Kip S. (1994): Black Holes and Time Warps. W. W. Norton & Company, Inc. ISBN 0-393-31276-3.

[muokkaa] Aiheesta muualla

• http://www.ursa.fi/yhd/komeetta/Keski-Vakkuri.htm Esitelmä mustista aukoista
• http://www.ursa.fi/yhd/komeetta/perko.htm Esitelmä mustista aukoista