Musta aukko

Mustan aukon mustuus johtuu siitä, ettei tällaisesta kohteesta edes valo pääse pois ("aukko" sen sijaan on hieman harhaanjohtava nimitys; parempi olisi puhua esimerkiksi kolosta). Jo Laplace osoitti 1700-luvun lopussa, että riittävän massiivinen kappale pystyy estämään valonsäteiden karkaamisen pinnaltaan. Klassisen mekaniikan mukaan pakonopeus R-säteisen M-massaisen kappaleen pinnalta on

v_e = (2GM / R )^1/2.

Tämä ylittää valonnopeuden, jos kappaleen säde on pienempi kuin kriittinen säde

R_S = 2GM /c ².

Yleisen suhteellisuusteorian avulla saadaan kriittiselle säteelle sama arvo, jota nimitetään Schwarzschildin säteeksi. Esimerkiksi Auringolle se on noin 3 km; Auringon massa on kuitenkin liian pieni, jotta siitä voisi tulla musta aukko. Koska massan täytyy olla suurempi kuin M_OV, on pienimpien tähdistä luhistumalla syntyneiden mustien aukkojen säde noin 5-10 km.

Mustien aukkojen ominaisuuksia johdettaessa on käytettävä yleistä suhteellisuusteoriaa, mihin tässä yhteydessä ei ole mahdollisuutta. Niinpä seuraavassa esitetäänkin vain muutamia perusominaisuuksia täysin kvalitatiivisesti.

Tapahtumahorisontilla tarkoitetaan rajapintaa, jonka takaa mitään informaatiota ei ole edes periaatteessa mahdollista saada. Mustan aukon ympärillä Schwarzschildin säteen etäisyydellä sen keskipisteestä on tällainen horisontti. Suhteellisuusteorian mukaan kullakin havaitsijalla on oma luonnollinen tapansa mitata ajan kulumista. Jos havaitsijat ovat levossa toistensa suhteen ja lisäksi samassa avaruuden pisteessä, heidän kellonsa käyvät samalla nopeudella. Muussa tapauksessa he yleensä mittaavat aikaa eri tavoin, ja tapahtumien kulku näyttää eri havaitsijoiden mielestä erilaiselta.

Mustan aukon tapahtumahorisonttia lähestyttäessä aikaero tulee selvästi esille. Mustaa aukkoa kohti putoava havaitsija saavuttaa aukon keskipisteen omasta mielestään äärellisessä ajassa eikä tapahtumahorisontin ohittaessaan huomaa mitään erikoista, mitä nyt viimeistään silloin musertuu tohjoksi vuorovesivoimien vaikutuksesta. Hyvin kaukana olevan havaitsijan mielestä hän ei kuitenkaan koskaan näytä pääsevän horisontin ohi; putoaminen näyttää hidastuvan rajatta horisonttia lähestyttäessä.

Ajan hidastumisesta seuraa myös valon taajuuden pieneneminen. Gravitaatiopunasiirtymän lauseke voidaan kirjoittaa Schwarzschildin säteen avulla. Jos säteily lähtee taajuudella n etäisyydeltä r M-massaisesta kappaleesta, se havaitaan äärettömän kaukana taajuudella

n_havaittu = n (1 - 2 GM / rc ² )^1/2 = n (1 - R_S / r )^1/2,

Tästä nähdään, että säteilylähteen lähestyessä tapahtumahorisonttia lähestyy havaitun säteilyn taajuus nollaa.

Koska vetovoima on suunnattu massakeskipistettä kohti ja riippuu etäisyydestä, vaikuttaa jokaisen kappaleen eri pisteisiin yleensä suuruudeltaan ja suunnaltaan erilainen vetovoima. Tavallisesti tällä ei ole merkitystä, mutta kompaktien tähtien lähellä nämä vuorovesivoimat tulevat erittäin suuriksi. Niiden vaikutuksesta mustaan aukkoon putoavan aineen rakenne tuhoutuu, ja kaikki atomit ja alkeishiukkaset murskautuvat olomuotoon, josta nykyinen fysiikka ei pysty sanomaan mitään. Mustan aukon havaittavat ominaisuudet eivät riipu lainkaan siitä, mistä aineesta se on muodostunut.

Ainekoostumuksen lisäksi paljon muutakin informaatiota häviää tähden luhistuessa mustaksi aukoksi. Esimerkiksi magneettikenttä katoaa tähden mukana tapahtumahorisontin taakse. Mustalla aukolla voi olla vain kolme havaittavissa olevaa ominaisuutta: massa, impulssimomentti ja sähkövaraus.

On epätodennäköistä, että mustalla aukolla olisi merkittävää nettovarausta. Sen sijaan pyörimisliike on tähdille tyypillistä, joten mustien aukkojenkin täytyy pyöriä. Impulssimomentin säilymisen vuoksi mustaksi aukoksi luhistuneiden tähtien pyörimisnopeuksien on oltava huomattavan suuria.

Mustien aukkojen havaitsemiseen tunnetaan tällä hetkellä vain yksi käytännössä mahdollinen keino. Se perustuu kaksoistähtijärjestelmässä olevaan mustaan aukkoon putoavan aineen säteilyyn. Tavallisen komponentin Rochen rajan yli virtaa ainetta, joka muodostaa kiekon mustan aukon ympärille. Tämän kiekon sisäreunalta aine putoaa mustaan aukkoon. Kiekon hiukkasilla on hyvin suuria nopeuksia, ja ne voivat säteillä huomattavan osan massastaan, jopa 40 %, ennen aukkoon joutumistaan. Tämän säteilyn pitäisi näkyä lähinnä röntgenalueella.

Taivaalta on löytynyt joitakin tällaisia nopeasti ja epäsäännöllisesti muuttuvia röntgenlähteitä, joista lupaavin ehdokas mustaksi aukoksi on Cygnus X-1 Joutsenen tähdistössä. Sen säteily vaihtelee jopa 0.001 sekunnin aikaskaalassa, joten säteilyä lähettävän alueen täytyy olla kooltaan vain 0.001 valosekunnin eli muutaman sadan kilometrin luokkaa. Neutronitähdet ja mustat aukot ovat ainoita näin pieniä kohteita, joihin liittyy riittävän korkeaenergisiä prosesseja. Cygnus X-l on kaksoistähden HDE 226868 pienempi komponentti. Suurempi on optisesti havaittava ylijättiläinen, jonka massa on 20-25 Auringon massaa. Näkymättömän komponentin massaksi on laskettu 10-15 Auringon massaa. Tämä on paljon suurempi kuin neutronitähden teoreettinen yläraja, joten todennäköisesti Cygnus X-1 on musta aukko.

Ihmisiä on paljon peloteltu mustilla aukoilla. On kuitenkin muistettava, että mustat aukot noudattavat samoja dynamiikan lakeja kuin muutkin tähdet, eivätkä suinkaan kiertele pitkin maailmankaikkeutta ahmimassa sisuksiinsa viattomia sivullisia. Jos esimerkiksi Aurinko muuttuisi mustaksi aukoksi, jatkaisivat planeetat liikettään vanhoilla radoillaan ikään kuin mitään ei olisi tapahtunut.

Edellä on puhuttu vain tähdenmassaisista mustista aukoista. Mustat aukot voivat kuitenkin olla myös paljon suurempia. Galaksien yhteydessä puhutaan supermassiivisista mustista aukoista, joiden massat saattavat olla miljoonia tai miljardeja Auringon massoja. Supermassiiviset mustat aukot voivat selittää monia galaksien ytimissä ja kvasaareissa havaittuja ilmiöitä.