Havaitseminen
Mustien aukkojen suora havaitseminen on vaikeaa. Ne voi havaita vain sen vaikutuksen perusteella, joka niillä on ympäristöönsä. Esimerkiksi valon taipuminen tai tähden kiertäminen ympäri pistettä, jossa ei näytä olevan mitään, antaa viitteen mustan aukon olemassaolosta. Koska materian syöksyessä mustaan aukkoon syntyy voimakasta röntgensäteilyä, on voimakas röntgenlähde myös mahdollinen musta aukko.
Rakenne
Mustan aukon keskus on singulariteetti. Se on pistemäinen kohde, johon on keskittynyt kaikki mustan aukon massa; atomin, tähden tai jopa miljoonien tähtien massa. Mustan aukon näkyvä raja, jonka sisäpuolella pakonopeus ylittää valonnopeuden, on nimetty tapahtumahorisontiksiinin.
Pyörivällä mustalla aukolla on vielä toinenkin tapahtumahorisontti, ellipsin muotoinen stationaarisyysraja. Se on raja jonka sisäpuolella mikään kappale ei voi pysyä levossa, vaan musta aukko tempaisee kaiken sinne joutuvan vastustamattomaan pyörimisliikkeeseen. Stationaarisyysrajan ja tapahtumahorisontin välistä aluetta kutsutaan ergosfääriksi. Osa ergosfääriin joutuvasta aineesta sinkoutuu ulos mustan aukon vaikutuspiiristä.
Teoreettisessa astrofysiikassa tunnetaan myös valkoinen aukko, mutta niiden olemassaolosta ei ole edes epäsuoraa havaintoa. Valkoinen aukko on nimensä mukaisesti mustan aukon vastakohta, joka sylkee ulos valoa ja ainetta, joka mahdollisesti on lähtöisin jostakin toisesta maailmankaikkeudesta. Valkoisten aukkojen ongelmana on, että niiden sylkemä aine tiivistyisi todennäköisesti hyvin nopeasti oman painovoimansa vaikutuksesta, ja luhistuisi mustaksi aukoksi, joka nielaisisi valkoisen aukon. Jos valkoisia aukkoja on olemassa, ne voisivat teoriassa tarjota ehtymättömän energianlähteen, mikäli niiden tuottama aine ja energia voitaisiin kerätä talteen ja hyödyntää.
Mustista aukoista on olemassa kolme mallia:
- Schwarzschildin aukko: pyörimätön musta aukko, jolla on vain singulariteetti ja tapahtumahorisontti
- Kerrin aukko: pyörivä musta aukko, jolla on edellisten lisäksi myös ergosfääri
- Reissner-Nordströmin aukko: sähkövarauksellinen musta aukko, jolla on kaksi sisäkkäistä tapahtumahorisonttia, joiden välissä aika- ja avaruuskoordinaatit vaihtavat paikkaa
Teoreettinen astrofysiikka tuntee myös käsitteen
alaston singulariteetti; tällainen syntyy, mikäli aukon pyörimisnopeus ylittää Schwarzschildin säteen kohdalla valon nopeuden. Tällöin tapahtumahorisontti repeytyy ja paljastaa sisällä olevan singulariteetin.
Syntymekanismi
Musta aukko syntyy raskaimmista tähdistä yleensä supernovaräjähdyksessä. Kappale luhistuu mustaksi aukoksi, jos sen säde alittaa Schwarzschildin säteenä tunnetun matkan. Tämän etäisyyden sisäpuolella aika-avaruus on niin vahvasti kaareutunut, että jokainen valonsäde pyrkii kohti keskustaa. Koska teoreettinen pakonopeus on mustalla aukolla valonnopeutta suurempi, kaikki materia Schwarzschildin säteen sisäpuolella luhistuu keskustaa kohti.
Schwarzschildin säde voidaan laskea kaavasta:
- ,
jossa
G on gravitaatiovakio (
Nm
2/kg
2),
M on kohteen massa ja
c on valon nopeus. Massaltaan Maan kokoisen kappaleen Schwarzschildin säde on noin 9 mm.
Galaksien ytimissä uskotaan olevan supermassiivisia mustia aukkoja, jotka eivät ole syntyneet tähtien luhistumisesta. Niiden syntytapa on vielä tuntematon, mutta kaksi parasta selitystä ovat galaksin syntymisen yhteydessä tapahtunut materian kertyminen ja alkuräjähdyksen yhteydessä syntyminen. Näiden kahden yhdistelmää on myös tarjottu syntyteoriaksi.
Mustien aukkojen arvellaan pystyvän menettämään massaansa Hawkingin säteilynä.
Kirjallisuutta
Suomeksi
Englanniksi
Aiheesta muualla
Sort hul
Schwarzes Loch
Trou noir
Sort hull
Svart hål
)
