Maailmankaikkeus

Musta aukko

Musta aukko on avaruuden alue, jonka painovoimasta ei pääse pakoon edes valo. Tyypit, lähin ja suurin musta aukko sekä vastaus: onko musta aukko vaarallinen?

Messier 87 -galaksin ydin ja siitä lähtevä suihku Hubble-kuvassa

Musta aukko on avaruuden alue, jonne on pakattu valtava määrä ainetta niin pieneen tilaan, että painovoima on kaikkein voimakkain: sieltä ei pääse pakoon mikään, ei edes valo. NASAn mukaan lähin tunnettu musta aukko on noin 1 500 valovuoden päässä, ja oman Linnunratamme keskustassa on musta aukko, jonka massa on noin neljä miljoonaa Aurinkoa. Alla on tyypit taulukossa, vastaukset suosituimpiin kysymyksiin ja selitys siitä, miltä musta aukko näyttää, vaikka se on itsessään näkymätön.

Mitä ovat mustat aukot?

Mustat aukot ovat kappaleita, joiden painovoima on niin voimakas, että pakonopeus ylittää valon nopeuden. NASAn määritelmän mukaan mustaan aukkoon on kertynyt valtava määrä ainetta hyvin pieneen tilaan. Koska valokaan ei pääse pois, mustaa aukkoa ei voi nähdä suoraan. Se havaitaan siitä, mitä sen ympärille putoava aine ja sen lähellä kiertävät tähdet tekevät.

Mustan aukon “pinta” on tapahtumahorisontti. NASAn mukaan se ei ole kiinteä pinta kuten Maan tai Auringon pinta, vaan raja, jonka sisäpuolelta mikään ei palaa. Tapahtumahorisonttia kutsutaan myös Schwarzschildin säteeksi: se on lyhin etäisyys, josta pako on vielä mahdollinen. Auringon massaisen mustan aukon tapahtumahorisontin säde olisi Ursan esitelmän mukaan vain noin kolme kilometriä, vaikka Auringon oma säde on noin 700 000 kilometriä.

Aukon keskustassa yleinen suhteellisuusteoria ennustaa singulariteetin, jossa tiheys olisi ääretön. NASAn mukaan tähtitieteilijät eivät tiedä, onko singulariteetti fysikaalinen rakenne vai vain matemaattinen seuraus.

Miten musta aukko syntyy?

Tähtimassainen musta aukko syntyy, kun yli kahdeksan Auringon massainen tähti käyttää ydinpolttoaineensa loppuun ja sen ydin romahtaa supernovaräjähdyksessä. Kevyemmistä tähdistä jää jäljelle valkoinen kääpiö tai neutronitähti, kuten NASA kuvaa. Tähden koko elämänkaari löytyy sivulta tähdet.

Supermassiiviset mustat aukot syntyvät toisin. Metsähovin radiotutkimusaseman mukaan ne eivät voi syntyä yksittäisistä tähdistä, vaan ne muodostuivat galaksien tiivistyessä. NASAn mukaan lähes jokaisen suuren galaksin keskustassa on sellainen, myös Linnunradan.

Mustien aukkojen tyypit

NASAn luokittelussa mustat aukot jaetaan massan mukaan kolmeen tyyppiin, ja neljäs on toistaiseksi vain ehdotus. Massat ilmoitetaan Auringon massoina.

Tyyppi	Massa	Syntytapa tai tilanne	Esimerkki
Tähtimassainen	muutamasta satoihin Auringon massoihin	massiivisen tähden romahdus supernovassa	Gaia BH1, noin 10 Auringon massaa
Keskimassainen	noin 100:sta satoihin tuhansiin	ehdokkaita on, vahvistaminen on vaikeaa	–
Supermassiivinen	satojatuhansia – miljardeja	muodostui galaksien kehityksessä	Sagittarius A*, noin 4 miljoonaa
Alkuperäinen (ehdotettu)	ei tiedossa	olisi syntynyt maailmankaikkeuden ensimmäisen sekunnin aikana	ei todistetta

Tähtimassaisia mustia aukkoja on Linnunradassa NASAn mukaan löydetty noin 50 epäiltyä tai vahvistettua, useimmat kaksoistähtijärjestelmistä, mutta arvioiden mukaan niitä voi olla galaksissa jopa 100 miljoonaa. Keskimassaisten puuttuminen tunnetuista on tutkijoille arvoitus. Kevyin tunnettu musta aukko on NASAn mukaan 3,8 Auringon massaista.

Kaikki mustat aukot pyörivät. NASAn mukaan nopeimmin pyörivä tunnettu musta aukko, GRS 1915+105, tekee yli tuhat kierrosta sekunnissa. Ursan esitelmä muistuttaa, että käytännössä mustat aukot pyörivät hurjaa vauhtia, vaikka yksinkertaisin laskumalli, Schwarzschildin aukko, olettaa aukon pyörimättömäksi ja sähköisesti neutraaliksi. Pyörimisen vuoksi aukon ympärille muodostuu alue, jossa hiukkanen voi saada aukolta pyörimisenergiaa ja karata lähes valonnopeudella, ja juuri tällaiset karkaajat paljastavat aukon olemassaolon, kuten Metsähovi kuvaa.

Onko kvasaari musta aukko?

Kvasaari ei ole itse musta aukko, mutta sitä ei ole ilman mustaa aukkoa. Kvasaari on aktiivisen galaksin ydin, ja Metsähovin mukaan sen valtavan energiantuoton ainoa tunnettu selitys on supermassiivinen musta aukko, jota ympäröi kertymäkiekko. Kiekon kaasu kuumenee Ursan esitelmän mukaan noin miljoonaan asteeseen ja säteilee röntgensäteitä, jotka satelliitit havaitsevat.

Kvasaari loistaa siis juuri siksi, että musta aukko syö ainetta. Kun aine loppuu, suihkut ja loiste hiipuvat. Jos haluat tietää, millaisissa järjestelmissä tällaiset ytimet sijaitsevat, lue sivu galaksit.

Mikä on maailman suurin musta aukko?

Suurin tunnettu musta aukko on NASAn mukaan TON 618, jonka massa on 66 miljardia Auringon massaa. Se on tähtimassaisiin verrattuna niin suuri, että vertailu vaatii mittakaavan: oman galaksimme keskustan Sagittarius A* painaa noin neljä miljoonaa Aurinkoa, eli TON 618 on yli 10 000 kertaa sitä raskaampi.

Ensimmäisen kuvan mustasta aukosta, M87-galaksin keskustasta, ESO julkisti 10. huhtikuuta 2019. Kohde on noin 55 miljoonan valovuoden päässä ja sen massa on noin 6,5 miljardia Aurinkoa. Kaukaisin NASAn mainitsema havaittu musta aukko on kvasaarissa QSO J0313-1806, noin 13 miljardin valovuoden päässä.

Kuinka lähellä maapalloa on lähin musta aukko?

Lähin tunnettu musta aukko on Gaia BH1, jonka ESA ilmoittaa olevan 1 560 valovuoden päässä Käärmeenkantajan tähdistössä. NASA pyöristää etäisyyden noin 1 500 valovuoteen ja NOIRLab noin 1 600 valovuoteen, joten kaikki luvut tarkoittavat samaa kohdetta. Sen massa on noin kymmenen Aurinkoa, ja se kiertää Auringon kaltaista tähteä.

Gaia BH1 on lepotilassa oleva musta aukko: se ei syö ainetta eikä siksi loista. Tutkijat löysivät sen ESAn Gaia-luotaimen havaitsemasta kumppanitähden heilahtelusta. Seuraavaksi lähimmät Gaia-luotaimen löytämät ovat ESAn mukaan Gaia BH2, noin 3 800 valovuoden päässä Kentauruksen tähdistössä, ja Gaia BH3, noin 1 926 valovuoden päässä Kotkan tähdistössä. Termistä ja mittayksiköstä lisää sivulla valovuosi. Omasta galaksistamme katso Linnunrata.

Rajaus on tärkeä: kyse on lähimmästä tunnetusta mustasta aukosta. Lepotilassa olevia mustia aukkoja on vaikea löytää, joten lähempänäkin voi olla sellaisia, joita ei ole vielä havaittu.

Miten mustia aukkoja löydetään, kun ne eivät näy?

Mustia aukkoja löydetään niiden vaikutuksista ympäristöön. Ursan esitelmän mukaan tähtimassaisia mustia aukkoja on lähes mahdotonta havaita, ellei niillä ole kaksoistähtijärjestelmässä kumppania. Jos kumppani luovuttaa kaasua mustalle aukolle, kaasu kuumenee lähes miljoonaan asteeseen ja säteilee röntgensäteitä, jotka satelliitit havaitsevat.

Lepotilassa olevat mustat aukot paljastuvat toisella tavalla. ESAn mukaan Gaia BH1 ja Gaia BH2 löydettiin kumppanitähden heilahtelusta: Gaia mittasi tähden paikkaa ja liikettä, ja näkymätön massiivinen kohde sai tähden kulkemaan oudosti. Maanpäällisillä nopeusmittauksilla varmistettiin, miten tähti liikkui kohti Maata ja poispäin siitä. Kaksoistähden mahdollisuus suljettiin pois, koska toisesta kappaleesta ei näkynyt valoa. Gaia BH2:sta Chandra-röntgenteleskooppi ja MeerKAT-radioteleskooppi eivät havainneet signaalia, mikä viittaa siihen, että se ei vedä puoleensa paljon ainetta. ESAn mukaan vastaavia järjestelmiä on todennäköisesti vielä löytämättä paljon.

Mitä mustaan aukkoon putoavalle tapahtuu?

Putoavan kappaleen oman kellon mukaan pudotus kestää rajallisen ajan. Kaukaa katsova tarkkailija näkee putoamisen kuitenkin hidastuvan lähestyttäessä tapahtumahorisonttia, ja viimeiset tapahtumat horisontilla ovat Metsähovin mukaan viimeisiä, jotka ulkopuolinen tarkkailija voi nähdä. Horisontin sisäpuolelta tieto ei pääse ulos.

Stephen Hawking esitti vuonna 1974, että mustat aukot säteilevät kvanttivaikutusten takia horisontista lämpösäteilyä, jonka lämpötila riippuu aukon massasta. Ursan esitelmän mukaan aukko menettää säteillessään massaa. Tästä seuraa niin sanottu informaatioparadoksi, joka on yksi nykyfysiikan avoimista kysymyksistä. Jos haluat tietää, miten mustat aukot ovat osa tähtien elämänkaarta, lue sivu tähdet.

Onko musta aukko vaarallinen?

Musta aukko on vaarallinen vain, jos sen lähelle joutuu. NASAn mukaan aine, joka tulee liian lähelle, venyy nuudelinmuotoiseksi, ilmiötä kutsutaan spagettiutumiseksi. Kauempaa katsottuna musta aukko vetää puoleensa kuten mikä tahansa muu kappale, jolla on sama massa.

NASA havainnollistaa asiaa: jos Aurinko korvattaisiin mustalla aukolla, jolla on sama massa, planeetat pysyisivät radoillaan, mutta aurinkokunta kylmenisi voimakkaasti. Aurinko ei kuitenkaan voi romahtaa mustaksi aukoksi, koska musta aukko syntyy tähdestä, jonka massa on yli kahdeksankertainen Aurinkoon verrattuna. Lähin tunnettu musta aukko on 1 560 valovuoden päässä, joten Maalle ei ole havaittua uhkaa.

Jos mietit, voisiko musta aukko “imaista” Maan, vastaus on, että vain jos Maa ajautuisi aivan sen tapahtumahorisontin lähelle. Kaukaisiin kappaleisiin musta aukko vaikuttaa samalla tavalla kuin tavallinen tähti, jolla on sama massa.

Miltä musta aukko näyttää?

Musta aukko näkyy varjona kirkkaan kaasun edessä. Event Horizon Telescope on NASAn ja ESOn kuvaamana kahdeksan radioteleskoopin joukko, jonka laitteet eivät ole fyysisesti yhteydessä toisiinsa. Ne tallentavat dataa atomikelloilla synkronoituina, ja Maan pyöriminen saa ne toimimaan kuin yhtenä Maan kokoisena teleskooppina. Kuva M87-mustasta aukosta perustuu vuoden 2017 havaintokampanjaan ja aallonpituuteen 1,3 millimetriä.

Omasta galaksistamme otettu kuva Sagittarius A*:sta julkistettiin ESOn mukaan 12. toukokuuta 2022. Kohde on noin 27 000 valovuoden päässä ja sen massa noin neljä miljoonaa Aurinkoa. NASAn mukaan varjo on noin kaksi kertaa niin suuri kuin mustan aukon varsinainen pinta, ja sen reunalla näkyvät ohuet valorenkaat ovat valoa, joka on kiertänyt aukon ympäri useita kertoja ennen kuin se tulee meille. Avaruusteleskoopit, jotka tutkivat mustia aukkoja röntgen- ja infrapunasäteilyllä, esitellään sivulla avaruusteleskoopit.