Melbourne Planetarium
Mustat aukot - matka tuntemattomaan
Vattenfall Planetariumin planetaarioelokuva Mustat aukot kertoo näkymättömistä avaruuden kohteista, joilla on monia erikoisia ominaisuuksia. Elokuvassa on yhtymäkohtia myös tähtitieteen historiaan.
Mustat aukot kiehtovat ihmisten mielikuvitusta. Ne eivät kuitenkaan ole mitään maailmankaikkeuden kummajaisia tai hirviöitä, vaan avaruuden kohteita siinä missä planeetat, tähdet ja galaksitkin. Silti niillä on monia erikoisia ominaisuuksia.
Erikokoisia mustia aukkoja
Mustia aukkoja on kahdenlaisia: tähdistä syntyneitä ja supermassiivisia mustia aukkoja.
Kun riittävän massiivinen tähti tulee elämänsä päätepisteeseen, siitä voi syntyä musta aukko. Tähti hajoaa valtaisassa supernovaräjähdyksessä, josta voi jäädä jäljelle tähden ydin. Jos ytimen massa on riittävän suuri, se luhistuu oman vetovoimansa vaikutuksesta mustaksi aukoksi.
Omassa kotigalaksissamme Linnunradassa arvioidaan olevan noin 10 miljoonaa mustaa aukkoa, mutta todennäköisesti vain noin tuhannen “näkeminen” on ylipäätään mahdollista. Tähän mennessä mustia aukkoja on löydetty vain hieman yli 20.
Supermassiiviset mustat aukot ovat satojatuhansia, miljoonia tai jopa miljardeja kertoja Aurinkoa massiivisempia. Niiden synnystä on useita teorioita, mutta tarkalleen sitä ei vielä tunneta. Joka tapauksessa lähes jokaisen galaksin – myös Linnunradan – keskuksessa näyttäisi olevan supermassiivinen musta aukko.
Miltä näkymätön näyttää?
Mustat aukot ovat periaatteessa rakenteeltaan hyvin yksinkertaisia avaruuden kohteita, sillä niissä on vain kaksi pääosaa: tapahtumahorisontti ja singulariteetti.
Tapahtumahorisontti on mustan aukon ulkoreuna. Se vastaa mustan aukon pintaa, mutta se ei ole todellinen pinta – tapahtumahorisontti on kuin näkymätön kupla avaruudessa. Tapahtumahorisontin takaa ei ole paluuta, sillä sen sisäpuolelta ei pääse pakoon mikään, ei edes valo. Siksi emme pysty näkemään, mitä tapahtumahorisontin sisällä tapahtuu. Fysiikan ja matematiikan avulla saamme kuitenkin jonkinlaisen käsityksen siitä, millaista siellä kenties on.
Mustan aukon keskellä on singulariteetti. Se on pelkkä piste, mutta silti siihen on keskittynyt mustan aukon koko massa. Kaikki, mikä joutuu mustaan aukkoon, puristuu lopulta singulariteettiin.
Toistaiseksi ei tiedetä, miten musta aukko voi sulloa valtavan määrän ainetta hyvin pieneen tilaan. Singulariteetin ymmärtämiseksi olisi saatava yhdistettyä kaksi maailmankaikkeuden rakennetta koskevaa teoriaa: hyvin suuria asioita eli koko kosmoksen ilmiöitä selittävän yleisen suhteellisuusteorian sekä hyvin pieniä asioita eli atomitason ilmiöitä selittävän kvanttiteorian.
Mitä suurempi massa piileksii singulariteetissa, sitä laajempi on mustan aukon tapahtumahorisontti. Aurinkoa noin viisi kertaa massiivisemman, tähdestä syntyneen mustan aukon tapahtumahorisontti on läpimitaltaan noin 30 kilometriä. Miljardi kertaa Aurinkoa painavamman supermassiivisen mustan aukon tapahtumahorisontti on läpimitaltaan kuusi miljardia kilometriä eli suunnilleen samankokoinen kuin Uranuksen kiertoradan halkaisija.
Musta + aukko = musta aukko
Mustan aukon, kuten kaikkien kappaleiden, vetovoima kasvaa niitä lähestyttäessä. Tapahtumahorisontin kohdalla se on niin suuri, että edes valo ei pääse sen sisäpuolelta pakoon. Ja kun musta aukko ei säteile - eikä heijasta - valoa, se on täysin musta.
Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan mikään ei voi liikkua valoa nopeammin. Jos valo ei pääse pakoon mustasta aukosta, sieltä ei voi karata mikään muukaan: se on kuin pohjaton reikä avaruudessa. Eräät tutkijat, esimerkiksi Stephen Hawking, ovat esittäneet, että mustasta aukosta voi silti tihkua säteilyä, mutta jos mustaan aukkoon putoaa, sieltä ei ole paluuta.
Näkymättömän etsintä
Mustan aukon voi löytää vain epäsuorin havainnoin, esimerkiksi seuraamalla aineen syöksymistä sen sisään. Samaan tapaan kuin pesualtaasta valuva vesi muodostaa pyörteen, mustaan aukkoon putoava aine kiertää sitä ja muodostaa kertymäkiekon ennen katoamistaan tapahtumahorisontin sisäpuolelle. Kaasu liikkuu kertymäkiekossa niin suurella nopeudella, että se kuumenee ja lähettää röntgensäteilyä.
Ensimmäinen tähden massainen musta aukko, Cygnus X-1, löydettiin vuonna 1971. Se kiertää toista tähteä, josta se kahmii kaasua sisäänsä. Aukkoa kohti syöksyvä kaasu muodostaa kertymäkiekon, jonka lähettämä voimakas röntgensäteily havaitaan Maata kiertävillä röntgensatelliiteilla.
Ensimmäiset tunnetut supermassiiviset mustat aukot piileksivät kvasaareissa. Ne löydettiin 1960-luvun alussa, mutta vasta myöhemmin selvisi, että kvasaarit ovat hyvin kaukaisten, miljardien valovuosien etäisyydellä olevien galaksien epätavallisen kirkkaita ytimiä. Kvasaarit ovat niin kirkkaita, koska niihin syöksyy suuria määriä ainetta lähes valon nopeudella, jolloin vapautuu valtavasti energiaa; osa siitä näkyy valona.
Tähdestä syntyneellä mustalla aukolla ei välttämättä ole kertymäkiekkoa, mutta tähtitieteilijät ovat kehittäneet menetelmän, jolla aukon voi silti löytää. Kun musta aukko kulkee kauempana olevan tähden editse, aukon valtava vetovoima taivuttaa tähden valoa ja saattaa keskittää sen kohti Maata. Silloin tähti näyttää hetkeksi kirkastuvan.
Entä jos putoaa mustaan aukkoon?
Mustalla aukolla on ominaisuuksia, jotka tekevät siihen putoamisesta hyvin erikoisen – ja lopullisen – kokemuksen.
Jos näkisit kaverisi putoavan mustaan aukkoon ja voisit kuunnella hänen sydämensykettään, huomaisit sen hidastuvan hänen lähestyessään mustaa aukkoa; sen valtaisa vetovoima näyttäisi nimittäin hidastavan aikaa. Itse asiassa et koskaan näkisi kaverisi joutuvan mustan aukon sisään. Hän putoaisi vääjäämättä sitä kohti, mutta yhä hitaammin ja hitaammin. Lopulta kaverisi liikkuisi niin hitaasti, että hän näyttäisi jähmettyvän paikalleen. Viimein hän vain katoaisi näkyvistä, koska valon on yhä vaikeampi päästä pakoon mustan aukon vetovoimaa.
Jos putoaisit itse mustaan aukkoon, aika tuntuisi etenevän normaalisti, mutta mustan aukon vetovoima saisi avaruuden kaareutumaan niin voimakkaasti, että voisit nähdä kaiken takanasi olevan suoraan edessäsi.
Mustan aukon vetovoima kasvaa niin nopeasti, että jos putoaisit mustaan aukkoon jalat edellä, niihin kohdistuisi paljon suurempi vetovoima kuin päähäsi. Hajoaisit kun mustan aukon painovoima pyrkisi venyttämään sinua, ohueksi ja pitkäksi kuin spagetti. Supermassiivinen musta aukko on hieman lempeämpi, sillä mitä suurempi on massa, sitä hitaammin vetovoima muuttuu sen lähettyvillä. Siksi myös “spagetoituminen” tapahtuisi hitaammin. Mustan aukon koko ei kuitenkaan vaikuta lopputulokseen: jos putoaa mustaan aukkoon, murskaantuu joka tapauksessa viimeistään singulariteetissa.
