uniVersI/O



Mustien aukkojen olemisen sietämätön keveys

Mustia aukkoja voidaan tarkastella kahdella tavalla: teoreettisesti tai havainnollisesti. Teoreettisesti mustien aukkojen idea on jo kohtalaisen vanha. Vuonna 1784 englantilainen luonnonfilosofi ja geologi John Michell pohti jo kappaletta, jonka pakonopeus ylittäisi valon nopeuden. Tuohon aikaan jo tiedettiin, että valolla on jokin äärellinen nopeus, ja nykyään sen voi itse helposti todistaa vaikka suklaalla ja mikroaaltouunilla. Kokonaan toinen asia oli kuitenkin se, tunteeko valo painovoiman vaikutuksen, eli onko se jonkin massan omaava hiukkanen. Tämä Isaac Newtonin alulle panema valon korpuskulaarinen teoria ei kuitenkaan pystynyt selittämään valon havaittuja ominaisuuksia, kuten diffraktiota, interferenssiä ja polarisaatiota.

Maailma joutui vielä odottamaan mustia aukkoja aina Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan saakka. Mustat aukot nousevatkin luonnostaan esille tämän teorian seurauksena. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan massa, eli energia (E=mc²), kaareuttaa avaruutta, vaikuttaen näin ollen avaruudessa liikkuvien kappaleiden liikeratoihin. Kaksiulotteinen analogia avaruuden kaareutumiselle voisi olla vaikka seuraavanlainen: ajat pyörällä tasaisessa maastossa, kunnes kohdallesi osuu hiekkamonttu. Ennen kuin ehdit jarruttaa, sukellat pyöräsi kanssa montun reunan yli. Koska sinulla oli jo valmiiksi vauhtia, et suinkaan syöksy montun keskustaa kohden (olettaen, että nenäsi ei alun perin osoittanut sinne), vaan ajat pitkin montun reunaa kaartaen hieman oikealle tai vasemmalle, riippuen siitä satuitko osumaan montun vasemmalle vai oikealle reunalle. Mikäli sinulla oli tarpeeksi alkuvauhtia tai poljet montussa lisää, pääset sieltä pois sillä seurauksella, että nenäsi osoittaa nyt hieman eri suuntaan kuin saapuessasi monttuun. Monttu näin ollen kaareutti reittiäsi (kts. kuva alla). Jos energiasi ei riitä saamaan pyörääsi ja itseäsi ulos montusta, voit suhteellisen pienellä vaivalla kiertää monttua sen sivua pitkin. Itseasiassa, jos ilmanvastusta sekä kitkaa pyörien ja hiekan välissä ei olisi, voisit kiertää monttua ikuisesti (avaruudessa nämä elementit luonnollisesti puuttuvat). Tässä analogiassa monttu vastaa tähteä, joka kaareuttaa massallaan avaruutta, ja pyöräsi kappaletta, jonka reitti kaareutuu sen tullessa tarpeeksi lähelle tähteä.  Kun jäit pyöräsi kanssa kiertämään montun reunaa, vastaisi se samaa kuin kappale, esimerkiksi planeetta, kiertäisi tähteä. Neliulotteisessa aika-avaruudessa tämä analogia yleistyy juuri painovoimakenttään, tosin kappaleiden välillä ei ole vetovoimaa vaan tämä näennäinen vuorovaikutus johtuu massan aiheuttamasta avaruuden kuoppaisuudesta. Missä tässä analogiassa on vastaavasti musta aukko? Itseasiassa ne ovat vain samanlaisia monttuja kuin tähdetkin. Eroavaisuudet tähtien kanssa huomataan vain erittäin lähellä niiden pohjaa. Lähellä montun keskustaa seinä kasvaa niin jyrkäksi, että edes valo ei pääse polkemaan sieltä ylös. Tämän lisäksi syöksyessäsi kohti tähteä törmäät ennemmin tai myöhemmin sen pintaan, kun taas mustalla aukolla ei ole pintaa mihin syöksyä. Jossain vaiheessa ylität vain nk. tapahtumahorisontin, pallomaisen rajan avaruudessa, jonka jälkeen paluuta ei enää ole.

Hiekkakuoppa-analogia

Kaksiulotteinen hiekkakuoppa-analogia massan aiheuttamasta avaruuden kaareutumisesta yleisen suhteellisuusteorian mukaan.

Rajaa, jossa mustan aukon pakonopeus ylittää valon nopeuden kutsutaan siis tapahtumahorisontiksi. Kun kappale ylittää kyseisen rajan, siitä ei enää saada mitään informaatiota, valon nopeuden ollessa suurin mahdollinen nopeus, jolla informaatiota voidaan välittää paikasta toiseen. Näin ollen tapahtumahorisontin taakse ei voida nähdä, mitä sana horisontti osuvasti kuvaa. Tapahtumahorisonttia tituleerataan usein myös Schwarzchildin säteeksi, saksalaisen Karl Schwarzschildin mukaan, joka kehitti pallomaisten kappaleiden ratkaisun Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan hyvin pian teorian julkaisemisen jälkeen. Mikään teoria ei itsessään vielä kerro totuudesta mitään ennen kuin sitä on testattu havaintoihin. Vaikka yleinen suhteellisuusteoria on yksi parhaiten paikkaansa pitävistä teorioista (esim. Kramer et al. 2006), kuinka mustat aukot sopivat havaintoihimme? Mustat aukot ovat, no… mustia. Miten niitä pystytään havaitsemaan, kun niitä ei voi nähdä ollenkaan?

Onneksemme mustien aukkojen ympäristö voi olla hyvinkin aktiivista seutua, kiitos niiden voimakkaan avaruuden kaareuttamisen. Havainnollisesti mustat aukot jaetaan karkeasti kolmeen luokkaan: auringonmassaiset, keskisuuret ja supermassiiviset mustat aukot. Tähän mennessä kaikki havainnot ovat olleet epäsuoria: materian kiertoaikojen mittauksia jonkun näkymättömän, massiivisen ja kompaktin kappaleen ympäri tai voimakkaimpia säteilylähteitä maailmankaikkeudessa, kvasaareja, joiden säteilymekanismi suorastaan vaatii supermassiivista mustaa aukkoa keskelleen. Yo. havainnot eivät vielä kuitenkaan aukottomasti todista mustien aukkojen olemassa oloa ja niinpä mukaan mahtuu monen monta yrittäjää, esimerkiksi gravastar, MECO, bosonitähdet ja fermionipallot.

Auringonmassaisia mustia aukkoja havaitaan Linnunradassa ja lähigalakseissa kaksoistähtijärjestelmissä, joissa toinen tähti on luhistunut mustaksi aukoksi kulutettuaan polttoaineensa loppuun, eikä enää pysty vastustamaan säteilypaineellaan kokoon puristavaa painovoimaa (kts. animaatio tähden säteilytasapainosta). Jos luhistumisen jälkeen musta aukko ja kumppanitähti kiertävät suhteellisen lähellä toisiaan, alkaa jäljelle jääneestä tähdestä virrata plasmatilassa olevaa materiaa kohti mustaa aukkoa (nk. Roche Lobe overflow). Samaan tapaan kuin planeetat kiertävät Aurinkoa (polkupyörä hiekkamonttua), asettuu plasma kiertämään mustaa aukkoa. Koska plasmaa virtaa kumppanitähdestä kokoajan lisää, muodostaa se kiekkomaisen rakenteen mustan aukon ympärille: kertymäkiekon. Vierekkäisten plasma-alkioiden välinen kitka jarruttaa plasmaa, jolloin se menettää energiaansa ja putoaa hiljalleen kohti mustan aukon keskustaa. Tässä prosessissa plasma menettää energiaansa ja säteilee sen systeemistä pois. Kyseinen säteily lähellä mustaa aukkoa on niin energeettistä, että se havaitaan röntgensäteinä. Tätä röntgensäteilyä havaitsemalla voidaan tehdä johtopäätöksiä siitä kuinka lähellä säteilevä plasma on kompaktia kohdetta ja kuinka massiivinen kyseinen kohde on. Jos massaksi saadaan reilusti yli kolme auringon massaa, mikä on suurin neutronitähden massa, ei vaihtoehdoksi jää muuta kuin musta aukko tai yllämainitut vaihtoehtoiset teoriat. Ensimmäinen tällainen kaksoistähtijärjestelmä, joka havaittiin Maasta avaruuden rajalle laukaistussa raketissa olevalla röntgeninstrumentilla, oli Cygnus X-1, ja myöhemmin röntgensatelliittien aikakaudella on tullut lisää varteenotettavia musta aukko kandidaatteja, kuten GRS 1915+105 tai V404 Cygni.

blah

Kaksoistähtijärjestelmä, jossa toinen tähti on luhistunut mustaksi aukoksi. Kumppanitähdestä (Companion star) virtaa plasmaa kohti mustaa aukkoa (Compact object) ja muodostaa kertymäkiekon (Accretion disk) mustan aukon ympärille. Joissakin tapauksissa havaitaan kertymäkiekon keskiosista hiukkassuihku (Jet). Credit: Imago Mundi

Keskisuuria ja supermassiivisia mustia aukkoja havaitaan tarkastelemalla tähtien kiertoaikoja jonkun näkymättömän, erittäin massiivisen, mutta pieneen tilaan mahtuvan kappaleen ympäri (esim. Linnunradan keskustassa sijaitseva kohde Sagittarius A*). Näistä laskelmista on saatu selville, että näiden tähtien kiertoratojen sisään jäävä kappale painaa kymmenestä tuhannesta kymmeneen miljardiin auringonmassaa ja mahtuu niinkin pieneen tilaan kuin kaksi kertaa Maan etäisyys Auringosta. Samaan tapaan kuin auringonmassaisilla musta aukko kaksoistähtijärjestelmillä, myös näiden supermassiivisten mustien aukkojen ympärille muodostuu kertymäkiekko, joka säteilee tapahtumahorisontin lähellä tajuttomat määrät energiaa (kvasaarien tapauksessa kymmenen tuhannen miljardin Auringon verran, mikä itsessään on valtava luku; jos annat kadulla joka sekunti euron jollekin vastaantulijalle, joutuisit jakamaan kymmenen tuhannen miljardin euron pottia n. 3 miljoonaa vuotta). Nämä supermassiiviset mustat aukot majailevat galaksien keskustoissa popsien keskimäärin kymmenen Auringon verran materiaa vuodessa. Kvasaareista havaitaan myös jättimäisiä radiosuihkuja, jotka parhaimmillaan yltävät satojen tuhansien valovuosien päähän. Ilman mustia aukkoja, näin valtavia ilmiöitä olisi vaikea selittää.

Tämä oli pieni pinnan raapaisu mustien aukkojen teoreettiseen ja havainnolliseen maailmaan. Aina välttämättä nämä kaksi eivät kohtaa, mutta siitä ollaan ainakin yhtä mieltä, että universumissamme majailee äärimmäisen tiheitä, kompakteja, massiivisia, ja mustia kappaleita.

Mainokset

Trackbacks & Pingbacks

  1. Maailman suurin teleskooppi « uniVersI/O pingbacked : 7 years, 9 months ago
  2. Tiedeviikko 38/10 « uniVersI/O pingbacked : 7 years ago
  3. Tiedeviikko 3+4/11 « uniVersI/O pingbacked : 6 years, 8 months ago

Kommentit



Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: