Must auk on ruumi piirkond, millest miski ei pääse välja, vastavalt üldisele relatiivsusteooriale on see tohutu massi poolt põhjustatud ruumi aja kõveruse tulemus. Musta augu ümber on koht, kust ei ole tagasipöördumist, mida nimetatakse sündmuste horisondiks. Seda nimetatakse "mustaks", sest see neelab kogu temasse langeva valguse, ei peegelda midagi, nagu täiuslik must keha termodünaamikas.

Kvantmehaanika teooria kohaselt on mustadel aukudel temperatuur ja nad kiirgavad Hawkingi kiirgust, mis muudab nad aeglaselt väiksemaks.

Must auk leitakse selle koostoime kaudu ainega. Musta augu olemasolule saab järeldada, jälgides ühe piirkonna ümber tiirlevate tähtede rühma liikumist kosmoses. Teise võimalusena, kui gaas langeb kaaslase tähe või udukogu poolt põhjustatud musta auku, siis gaas keerleb sissepoole, kuumeneb väga kõrgele temperatuurile ja kiirgab suures koguses kiirgust. Seda kiirgust on võimalik avastada Maa- ja Maa ümber tiirlevate teleskoopidega.

Astronoomid on leidnud tõendeid ka supermassiivsete mustade aukude kohta peaaegu kõigi galaktikate keskmes. Pärast 16 aastat kestnud läheduses asuvate tähtede liikumise jälgimist leidsid astronoomid 2008. aastal veenvaid tõendeid selle kohta, et Linnutee keskmes asuva Sagittarius A* piirkonna lähedal on üle 4 miljoni Päikese massi suurune supermassiivne must auk. Musta augu sees on füüsikareeglid väga erinevad.

Mis on musta augu põhikontseptsioon?

Sündmuste horisont on piir, mille alt väljapääsu pole: ükskõik mis satub selle taha, ei saa informatsiooni tagasi saata üldrelatiivsuse tingimustes. Musta augu mass, pöörlemine (spinn) ja laeng määravad selle välimuse ja mõju ümbritsevale ruumiajale. Keskmes ennustatakse üldrelatiivsuse järgi tihti tähendusega punkti või piirkonda, mida nimetatakse singulaarsuseks, kus ruumaja kõverus muutub väga suureks. Singulaarsuse olemus on aga tänapäeva füüsikas veel selgitamisel ja eeldatavasti nõuab kvantgravitatsiooni teooriat.

Tüübid ja omadused

  • Tähtede mustad augud — tekivad massiivsete tähtede kokkuvarisemisel supernoova lõpus; massid on tavaliselt mõned kuni mõnekümne Päikese massi suurused.
  • Vahepealsed mustad augud — massilt suuremad kui tähtevahelised, aga väiksemad kui supermassiivsed; nende olemasolu kohta kogutakse järjest rohkem tõendeid, kuid nad on haruldasemad.
  • Supermassiivsed mustad augud — paiknevad galaktikate keskustes ja kaaluvad miljoneid kuni miljardeid Päikese masse. Näited: Sagittarius A* (Linnutee keskmes) ja M87* (EHT pildil).
  • Primordiaalsed mustad augud — hüpoteetilised, lõid nad varases universumis; nende olemasolu ei ole kindlalt tõestatud.

Kuidas musti auke nähtakse ja mõõdetakse?

Mustad augud on otseselt "mustad", kuid neid saab tuvastada mitmel viisil:

  • Tähtede orbiidid: jälgides tähti, mis tiirlevad nähtamatu massi ümber (nagu Sagittarius A* ümber), saab arvutada musta augu massi ja asukoha.
  • Akretsiooniketas ja röntgenkiirgus: langedes musta augu poole kuumeneb materjal ja kiirgab intensiivselt röntgen- ja raadiolainetel — paljud röntgenallikad on seeläbi tuvastatud.
  • Relativistlikud vistrikud (jets): mõnel mustal augul tekivad tema telje suunas suunatud osakestevoolud, mida näeme raadio- ja optilistes vaatlustes.
  • Gravitatsioonilainete detektsioon: LIGO ja Virgo on alates 2015. aastast registreerinud mitmeid gravitatsioonilainete sündmusi, mis pärinevad kahe musta auguga ühinemistest — see on uus ja väga kindel tõendusmaterjal mustade aukude olemasolu kohta.
  • Otsepildistamine: Event Horizon Telescope (EHT) tegi 2019. aastal pildi M87* sündmuste horisondile lähedasest varjust; hiljem on EHT avaldanud ka andmeid Sagittarius A* kohta. See on otsene visuaalne tõend horisondile omasest "variest".
  • Gravitatsiooniline mikroläätseimine: massiivne objekt võib nõnda taevataevas silma nähtava taustal oleva allika valgust tugevasti kõverdada ja heledust ajutiselt suurendada — see meetod võib paljastada ka varjatud musti auke.

Füüsikalised efektid ja huvitavad omadused

Aegne dilatatsioon ja gravitatsionaalne punastus: läheduse korral sündmuste horisondile aeg välise vaatleja jaoks aeglustub ja valgus nihkub punasemaks. Tidalefektid (nn spagheteerumine) võivad hävitada materiaalseid objekte enne horisondi läbimist, eriti väiksemate mustade aukude puhul.

Hawkingi kiirgus ja termodünaamika: kvantmehaanika ja üldrelatiivsuse kombinatsioon annab ettekujutuse, et mustad augud ei ole täiesti mustad — neil on temperatuur ja nad kiirgavad kvantkiirgust (Hawkingi kiirgus). Selle efektiga peab kaasnema massi kadu ehk aurustumine, kuid tavapäraste astronoomiliste mustade aukude temperatuur on väga madal ja aurustumisaeg ületab oluliselt universumi vanuse.

Teaduslikud tõendid ja avastused

Mitmed sõltumatud meetodid annavad kokku tervikliku ja tugevnenud tõendusmaterjali mustade aukude olemasolu kohta:

  • Staaride orbiidid galaktikate keskustes (Sgr A* — rohkem kui 4 miljonit Päikese massi).
  • Röntgen- ja raadioallikad, mis vastavad akretsiooniprotsessidele ning topelt-süsteemide käitumisele.
  • Gravitatsioonilainete signaalid (alates 2015. aastast LIGO/Virgo poolt), mis näitavad selgelt kahe kompaktsüsteemi üheks sulandumist.
  • Event Horizon Telescope otsepildid (M87* 2019, Sgr A* tulemused hiljem), mis visualiseerivad sündmuste horisoni serva ja varju.

Avatud küsimused ja tulevikusuunad

Kuigi olemasolu kui selline on tugevalt kinnitatud, jääb mustade aukude füüsikas palju lahtiseid küsimusi: mis täpselt juhtub singulaarsuses, kuidas lahendatakse informatsiooni paradoks (kas ja kuidas informatsioon säilib mustas augus või naaseb universumisse), ja milline on täpne kvantgravitatsiooni teooria, mis ühendaks üldrelatiivsuse ja kvantmehaanika. Jätkuvad vaatlusprojektid (suurenenud tundlikkusega gravitatsioonilainete detektorid, ruumipõhised teleskoobid ja EHT-laadsed võrgustikud) ning teoreetilised edusammud annavad loodetavasti selgema pildi tulevikus.

Kokkuvõte: must auk ei ole pelgalt "auk" või tühjus, vaid ruumaja nii tugevalt kõverdatud piirkond, mille mõju on vaatlevale universumile selgelt mõõdetav — läbi tähtede orbiitide, intensiivse kiirguse akretsiooniketastest, gravitatsioonilainetest ja otsepiltidelt. Samas on nad ka aknaks fundamentaalsetesse füüsikaküsimustesse, mida teadus alles uurib.