Kirkkonummen Komeetan esitelmäsarjassa oli 27.2.2002 vuorossa
dosentti Tapani Perko Helsingin yliopiston fysikaalisten tieteiden laitokselta,
teoreettisen fysiikan osastolta. Hänen aiheensa olivat mustat
aukot. Esitelmää oli kuulemassa 75 henkeä ja sen rahoitti Helsingin
yliopiston Vapaan sivistystyön toimilunta.
Johdanto
Käsite musta aukko on juurtunut jokapäiväiseen kielenkäyttöömme. Tähtitieteessä sillä tarkoitetaan kohdetta, jonka painovoimaa ei mikään pysty voittamaan. Ongelmana on, ettei mustaa aukkoa voi suoraan nähdä. Se paljastuu kuitenkin voimakkaan painovoimakenttänsä välityksellä.
Tähtitieteilijöillä on monia havaintoja kohteista, jotka käyttäytyvät kuin musta aukko. Näiden massat vaihtelevat muutamista Auringon massoista aina miljardeihin Auringon massoihin. Massiivisimmat kohteet löytyvät galaksien keskustoista. Oman Linnunratamme keskustassa on havaintojen mukaan noin 3 miljoonan Auringon massan musta aukko.
Kun halutaan varmentaa, että havainnot liittyvät aitoon mustaan aukkoon, tarkastellaan aukkoa kiertäviä tähtiä ja aukkoon putoavan aineen käyttäytymistä lähellä aukon rajaa eli horisonttia.
Esitelmässä tarkasteltiin mustien aukkojen ominaisuuksia ja menetelmiä, joilla niitä etsitään. Paras näyttö tultaneen saamaan painovoima-aalloilla.
Esitelmöitsijä aloitti tarkastelemalla massan ja painovoiman yhteyttä. Samasta massasta syntyy aina samanlainen painovoimakenttä. Kuun pinnalta pakonopeus on 2,4 km sekunnissa, Maan pinnalta 11 km sekunnissa ja Auringon pinnalta 617 km sekunnissa. Mustasta aukosta valon nopeuskaan ei riitä.
Idea on vanha
Mustan aukon idea on vanha. Ensimmäisenä sen esitti John Michell vuonna 1784 ja hänen jälkeensä 1799 Pierre-Simon Laplace. Idea sai vauhtia vasta, kun Albert Einstein esitti vuonna 1915 yleisen suhteellisuusteoriansa, joka on tarkempi painovoimateoria kuin Newtonin 1600-luvun lopulla esittämä.
Jo seuraavana vuonna Karl Schwarzschild esitti pallomaisen tähden ja samalla mustan aukon ratkaisun Einsteinin kenttäyhtälöille. Sen mukaan tietyllä etäisyydellä massapisteestä aika näyttää pysähtyvän. Tämän Schwarzschildin säteen sisäpuolella aine on luhistunut mustaksi aukoksi. Robert Oppenheimer tarkasteli tähden romahtamista mustaksi aukoksi vuonna 1939 ja Roy Kerr löysi pyörivän mustan aukon ratkaisun vuonna 1963.
Albert Einstein ja toinen aikansa guru Arthur Eddington eivät kuitenkaan uskoneet mustien aukkojen olemassaoloon.
Yleisen suhteellisuusteorian mukaan painovoima eli gravitaatio on avaruusajan kaarevuutta. Kaarevuuden (gravitaation) lähteenä on massa ja kaikki energian muodot. Suhteellisuusteorian mukaan avaruutta voi taivuttaa. Avaruus on kuitenkin 10 potensiin 30 kertaa jäykempää kuin teräs. Kuitenkin tähtien massat saavat avaruudenkin taipumaan. Jos massaa kertyy johonkin paikaan liiaksi, ei avaruus kestä ja massa romahtaa kasaan ja kaareutuu äärettömästi. Tuloksena on musta aukko.
Tähdistä tulee mustia aukkoja
Tähti on vakaa, kun sen sisäinen paine ja painovoima ovat tasapainossa. Sisäistä painetta ylläpitää lämpö, jota tähden ydinreaktiot tuottavat. Kun massiivisen tähden ydinpolttoaine loppuu, siitä tulee epävakaa ja se räjähtää supernovana. Räjähdyksen yhteydessä vapautuu runsaasti energiaa, joka lennättää tähden ulkokuoreen avaruuteen. Sisäosa romahtaa kasaan ja lopputuloksena on joko supertiheä neutronitähti tai sitten musta aukko. Räjähdyksessä syntyvän gravitaatioenergian määrä voi olla noin 10 kertainen verrattuna tähden koko elinkaarensa aikana tuottamaan ydinenergiaan.
Linnunradassa on havaittu viime vuosituhannella paljain silmin neljä supernovaa. Vuonna 1006 havaittiin supernova Suden tähdistössä. Vuonna 1054 kiinalaiset kirjasivat supernovan Härän tähdistössä. Siitä on jäljellä komea Krapusumu ja neutronitähti. Vuonna 1572 havaittiin supernova Kassiopeian ja 1604 Käärmeenkantajan tähdistössä.
Käsitteenä musta aukko löi itsensä läpi 1960-luvulla. Teoriaa kehitettiin ja tähtitieteilijät löysivät taivaalta hyvin energeettisiä kohteita kvasaareja. Niiden energian tuotto pystyttiin selittämään vain mustan aukon avulla. Vähitellen useimmat tutkijat uskoivat mustien aukkojen olemassaoloon. Nimitystä musta aukko ryhtyi käyttämään vuonna 1968 amerikkalainen fyysikko John A. Wheeler.
Mustan aukon ominaisuuksia
Mustalla aukolla on jäljellä ainoastaan painovoimakenttä. Muuten musta aukko on tyhjä avaruuden osa jonka keskellä on singulariteetti, jossa avaruus on kaareutunut äärettömästi. Romahtaneen tähden kaikki aine on keskittynyt singulariteettiin, tilaan, jota ei tunneta, sillä singulariteetissa yleinen suhteellisuusteoriakaan ei ole voimassa. Mustan aukon horisonttin sisäpuolelta ei enää pääse pois. Ainoa liike on kohti keskustaa. Vuonna 1974 englantilainen Stephen Hawking hämmästytti tiedemaailmaa kvanttifysikaalisella laskelmallaan, jonka mukaan musta aukko vuotaa säteilemällä. Säteilyn määrä on sen suurempi, mitä pienempi aukko on. Massiivisilla aukoilla tällä ei ole merkitystä.
Mustien aukkojen havaitseminen
Havaittujen mustien aukkojen massat ovat muutamasta Auringon massasta miljardeihin Auringon massoihin. Suoraan mustat aukot eivät näy. Ne tulevat esiin painovoimakenttiensä välityksellä. Kun musta aukko imee ainetta ympäristöstään, aine säteilee voimakkaasti valoa, ultraviolettisäteilyä ja erityisesti röntgensäteilyä. Tavallisesti mustia aukkoja yritetään havaita tutkimalla kaksoistähtiä, joiden toinen komponentti ei näy, mutta säteilee voimakkaasti vaihdellen röntgensäteilyä. Tietyin edellytyksin näkymätön komponentti on musta aukko, joka imee näkyvästä seuralaistähdestään ainetta, joka pudotessaan aukkoon kuumene ja säteilee.
Monien galaksien keskustassa oletetaan olevan jättiläismäinen musta aukko, esimerkiksi Linnunradan keskustassa, josta on saatu tarkempia tuloksia vuoden sisällä NASAn röntgensatelliitilla. Galaksin NGC 4258:n keskuksessa on 39 miljoonan Auringon massainen musta aukko, jonka horisontti on pystytty rajaamaan 0,14 parsekin alueelle.
Seppo Linnaluoto