Must auk

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.

Neitsi tähtkujus asuva ülihiiglasliku elliptilise galaktika Messier 87 tuumas asuv supermassiivne must auk. Must auk oli esimene, mida suudeti otse pildistada (Event Horizon Telescope, avaldatud 10. aprillil 2019).

Musta augu poolt tekitatud gravitatsioonilise läätse simulatsioon, mis moonutab taustal oleva galaktika kujutist (suurem animatsioon)

Ajalugu

1783. aastal kirjutas inglise vaimulik John Michell, et võib olla võimalik, et miski on nii raske, et selle gravitatsioonist vabanemiseks tuleb liikuda valguse kiirusega. Gravitatsioon muutub tugevamaks, mida suuremaks või massiivsemaks midagi muutub. Et väike asi, näiteks rakett, saaks suuremast asjast, näiteks Maast, põgeneda, peab ta meie gravitatsiooni tõmbevõimest pääsema või ta kukub tagasi. Kiirust, millega ta peab Maa gravitatsioonist eemaldumiseks ülespoole liikuma, nimetatakse põgenemiskiiruseks. Suurematel planeetidel (nagu Jupiter) ja tähtedel on rohkem massi ja nende gravitatsioon on tugevam kui Maal. Seetõttu on põgenemiskiirus palju kiirem. John Michell arvas, et on võimalik, et miski on nii suur, et põgenemiskiirus oleks kiirem kui valguse kiirus, nii et isegi valgus ei saaks põgeneda. 1796. aastal propageeris Pierre-Simon Laplace sama ideed oma raamatu "Exposition du système du Monde" esimeses ja teises väljaandes (hilisematest väljaannetest see eemaldati).

Mõned teadlased arvasid, et Michellil võib olla õigus, kuid teised arvasid, et valgusel ei ole massi ja et gravitatsioon ei tõmba seda. Tema teooria unustati.

1916. aastal kirjutas Albert Einstein gravitatsiooni seletuse, mida nimetatakse üldrelatiivsusteooriaks.

Mass põhjustab ruumi (ja ruumiaja) paindumist ehk kõverust. Liikuvad asjad "langevad" või järgivad ruumi kõverusi. Seda nimetame gravitatsiooniks.
Valgus liigub alati sama kiirusega ja seda mõjutab gravitatsioon. Kui tundub, et valgus muudab kiirust, siis tegelikult liigub see mööda ruumi aja kõverust.

Mõned kuud hiljem, kui Saksa füüsik Karl Schwarzschild teenis I maailmasõjas, näitas Einsteini võrrandeid kasutades, et must auk võib eksisteerida. 1930. aastal ennustas Subrahmanyan Chandrasekhar, et Päikesest raskemad tähed võivad kokku variseda, kui neil otsa saab vesinik või muu tuumakütus, mida põletada. 1939. aastal arvutasid Robert Oppenheimer ja H. Snyder, et täht peab olema vähemalt kolm korda nii massiivne kui Päike, et moodustada must auk. 1967. aastal leiutas John Wheeler esimest korda nimetuse "must auk". Enne seda nimetati neid "tumedateks tähtedeks".

1970. aastal näitasid Stephen Hawking ja Roger Penrose, et mustad augud peavad olema olemas. Kuigi mustad augud on nähtamatud (neid ei saa näha), on osa neisse langevast ainest väga heledad.

Mustade aukude tekkimine

Gravitatsiooniline kollaps

Suurte (suure massiga) tähtede gravitatsiooniline kokkuvarisemine põhjustab "tähtede massiga" musti auke. Tähtede tekkimine varajases universumis võis põhjustada väga massiivseid tähti, mis kokkuvarisemisel tekitasid kuni ¹⁰³ Päikese massi suuruseid musti auke. Need mustad augud võivad olla enamiku galaktikate keskmes leiduvate supermassiivsete mustade aukude seemned.

Suurem osa gravitatsioonikollapsis vabanevast energiast eraldub väga kiiresti. Kaugem vaatleja näeb, et gravitatsioonilise aeglustumise tõttu aeglustub ja peatub vahetult sündmuste horisondi kohal. Vahetult enne sündmuste horisonti kiiratav valgus on lõpmatult palju aega hilinenud. Seega ei näe vaatleja kunagi sündmuste horisondi tekkimist. Selle asemel näib, et kokkuvoolav materjal muutub tuhmimaks ja üha enam punase nihkega ning lõpuks kaob.

Ülimassilised mustad augud

Mustad augud on leitud ka peaaegu kõigi teadaolevate galaktikate keskelt. Neid nimetatakse supermassiivseteks mustadeks aukudeks (SBH) ja need on kõige suuremad mustad augud. Need tekkisid siis, kui Universum oli väga noor, ja aitasid ka kõiki galaktikaid moodustada.

Arvatakse, et kvasaaride jõuallikaks on gravitatsioon, mis kogub materjali SBH-desse kaugete galaktikate keskustes. Valgus ei pääse kvasarite keskmes asuvatest SBH-dest välja, seega tehakse väljaminev energia väljaspool sündmuste horisonti gravitatsioonipinge ja tohutu hõõrdumine sissetulevale materjalile.

Kvasaarides on mõõdetud tohutuid kesksed massid (^106-109 päikese massi)^. Mitu tosinat lähedal asuvat suurt galaktikat, mille tuumas ei ole märke kvasarituumast, sisaldavad sarnast keskset musta auku oma tuumas. Seetõttu arvatakse, et kõigil suurtel galaktikatel on üks, kuid ainult väike osa neist on aktiivsed (piisavalt akkretsiooniga, et tekitada kiirgust) ja seega on neid näha kvasaaridena.

Mõju valgusele

Musta augu keskel on gravitatsiooniline keskus, mida nimetatakse singulaarsuseks. Sinna on võimatu sisse näha, sest gravitatsioon takistab valguse väljapääsu. Pisikese singulaarsuse ümber on suur ala, kuhu imetakse sisse ka valgus, mis tavaliselt mööda läheks. Selle ala serva nimetatakse sündmuste horisondiks. Sündmushorisondist väljapoole jääv ala on must auk. Musta augu gravitatsioon muutub kaugemal nõrgemaks. Sündmushorisont on keskmest kõige kaugemal asuv koht, kus gravitatsioon on veel piisavalt tugev, et valgus kinni püüda.

Väljaspool sündmuste horisonti tõmmatakse valgust ja ainet endiselt musta augu poole. Kui must auk on ümbritsetud ainega, moodustab aine musta augu ümber "akkretsiooniketta" (akkretsioon tähendab "kogunemist"). Akkretsioonikett näeb välja nagu Saturni rõngad. Kui see imbub sisse, muutub aine väga kuumaks ja paiskab röntgenkiirgust kosmosesse. Mõelge sellest kui vee keerlemisest ümber augu enne selle sisse kukkumist.

Enamik musti auke on liiga kaugel, et me saaksime näha akkretsiooniketta ja joa. Ainus võimalus teada saada, et must auk on olemas, on näha, kuidas tähed, gaas ja valgus selle ümber käituvad. Musta augu läheduses liiguvad isegi nii suured objektid nagu täht, teistmoodi, tavaliselt kiiremini, kui nad liiguksid, kui musta auku ei oleks.

Kuna me ei näe musti auke, tuleb neid tuvastada muude vahenditega. Kui must auk liigub meie ja valgusallika vahelt läbi, paindub valgus ümber musta augu, tekitades sellest peegelpildi. Seda efekti nimetatakse gravitatsiooniliseks läätseks.

Kunstniku pilt: must auk, mis tõmbab ära lähedalasuva tähe välimise kihi. Seda ümbritseb energiakett, mis tekitab kiirgusjoa.

Einsteini rist: neli pilti ühest kvaasarist

Hawkingi kiirgus

Hawkingi kiirgus on musta keha kiirgus, mida kiirgab must auk sündmuste horisondi lähedal kvantmõjude tõttu. See on nime saanud füüsiku Stephen Hawkingi järgi, kes esitas 1974. aastal teoreetilise argumendi selle olemasolu kohta.

Hawkingi kiirgus vähendab musta augu massi ja energiat ning on seetõttu tuntud ka kui musta augu aurustumine. See toimub virtuaalsete osakeste-antiosakeste paaride tõttu. Kvantfluktuatsioonide tõttu langeb sel juhul üks osakestest sisse ja teine pääseb energia/massiga minema. Selle tõttu eeldatakse, et mustad augud, mis kaotavad rohkem massi kui nad muul viisil omandavad, kahanevad ja lõpuks kaovad. Mikro-mustad augud (MBH) on prognooside kohaselt suuremad kiirguse netosaatjad kui suuremad mustad augud ning peaksid seetõttu kiiremini kahanema ja hajuma.

Küsimused ja vastused

K: Mis on must auk?

V: Must auk on ruumi piirkond, millest ei pääse välja miski, isegi mitte valgus. See hakkab eksisteerima, kui ruumi aeg muutub tohutu massi poolt kõveraks ja sellel on sündmuste horisont, millest miski, mis on selles, ei saa väljuda.

K: Miks on mustad augud mustad?

V: Mustad augud on mustad, sest nad neelavad kogu neid tabava valguse ja ei peegelda midagi, nagu täiuslik must keha termodünaamikas.

K: Kuidas inimesed leiavad mustad augud?

V: Inimesed leiavad musti auke, jälgides kuskil kosmoses tiirlevate tähtede liikumist või kui gaas langeb musta auku, kuumneb ja muutub väga heledaks, mida saab näha Maa teleskoopidega või Maa ümber tiirlevate teleskoopidega.

K: Kas on olemas supermassiivseid musti auke?

V: Jah, astronoomid on leidnud tõendeid supermassiivsete mustade aukude kohta peaaegu kõigi galaktikate keskmes. 2008. aastal leidsid astronoomid tõendeid, et Linnutee galaktika Sagittarius A* osa lähedal asub üle nelja miljoni Päikese massi suurune supermassiivne must auk.

K: Kas kvantmehaanika mõjutab seda, kuidas me musti auke käsitleme?

V: Jah, kvantmehaanika kohaselt on mustadel aukudel temperatuur ja nad kiirgavad Hawkingi kiirgust, mis muudab nad aeglaselt väiksemaks.

K: Mis toimub musta augu sees?

V: Musta augu sees on füüsikareeglid väga erinevad sellest, mida me siin Maal kogeme.