Tyypillinen tähdestä syntynyt musta aukko on avaruuden mitoissa varsin pieni. Kymmenen Auringon massaisen aukon tapahtumahorisontin leveys jää alle maratonmatkan. Supermassiiviseen aukkoon sen sijaan mahtuisi koko aurinkokuntamme.

Aluksi ne olivat villiä teoriaa, johon harva uskoi. Nyt olemassaoloa ei epäile kukaan, vaikkei niitä voi nähdä. Ihmeen paljon niistä silti tiedetään.

 

1. Mitä ne ovat?

Mustat aukot ovat aineen äärimmäisen tiheitä keskittymiä. Sen takia painovoima on niin valtava, ettei mikään, mikä aukkoon solahtaa, pääse pakenemaan sieltä.

Valtava voima syntyy aukon ytimessä singulariteetissa. Se on piste, jossa avaruus kaareutuu äärimmilleen ja johon aukon kaikki aine pakkautuu.

Aineen karkaamisen estää tapahtumahorisontti, aukon rajapinta, jossa pakonopeus nousee valon nopeuteen. Koska se on maailmankaikkeuden kattonopeus, mikään ei voi sitä ylittää. Siksi kaikki aukkoon pudonnut pysyy siellä.

Aukkoa syöttää kertymäkiekko. Se kerää itseensä ainetta aukon läheisyydestä ja pyörittää sitä kohti tapahtumahorisonttia.

Kun aukko aterioi, syntyy voimakkaita kaasusuihkuja, jotka syöksyvät kauas avaruuteen.

 

2. Miksi ne ovat mustia?

Mustat aukot ovat mustia tai oikeammin pimeitä, koska ne eivät lähetä valoa eivätkä muutakaan sähkömagneettista säteilyä. Ne eivät myöskään heijasta tähtien valoa.

Mustista aukoista alettiin puhua 1960-luvulla, mutta jo 1700-luvun lopulla englantilainen pappi John Michell ja ranskalainen matemaatikko Pierre-Simon Laplace pohtivat niiden kaltaisia avaruuden rakenteita. Herrat laskivat, voisiko olla olemassa niin massiivisia kappaleita, että ne vangitsisivat valon. Michell puhui pimeistä tähdistä, Laplace näkymättömistä kappaleista.

Varsinaisesti idea sai vauhtia vasta, kun Albert Einstein sata vuotta sitten esitteli yleisen suhteellisuusteoriansa, jonka mukaan painovoima kaareuttaa aika-avaruutta kaikkialla, missä on paljon massaa ja energiaa. Saksalainen Karl Schwarzschild laski oitis, miten tiheä pallomaisen kappaleen pitää olla, ettei valo pääse matkaan. Kumpikaan fyysikko ei nimennyt voimanpesää mitenkään.

Mustan aukon käsitteen keksijäksi mainitaan yleensä yhdysvaltalainen fyysikko John Wheeler. Kerrotaan, että hän nappasi nimen vuonna 1967 kuulijan huudosta tieteellisessä kokouksessa. Joku kai kyllästyi Wheelerin hankalaan ”painovoiman täysin romahduttamaan kappaleeseen”.

Toisaalta tiedetään, että musta aukko oli mainittu jo vuonna 1963 Texasissa suhteellisuusteoriaa käsitelleessä tiedekokouksessa. Varhainen maininta tunnetaan myös vuodelta 1964. Science News Lettersin toimittaja Ann Ewing kirjoitti, että Yhdysvaltain tieteenedistämissseuran Aaas:n kokouksessa oli pohdittu ”mustien aukkojen” ongelmaa. Taaskaan käsitteen käyttäjät eivät selvinneet.

Nimi vie vankilaan

Pisteen keskustelulle on pannut astrofyysikko Hong-Yee Chiu. Hänen mukaansa käsite on lähtöisin 1960-luvun alusta fyysikko Robert Dickeltä . Dicke oli verrannut romahtaneita tähtiä ”Kalkutan mustaan aukkoon”.

Se oli brittiläinen siirtomaa-ajan vankityrmä Kalkutassa olevassa linnoituksessa. Tyrmässä kuoli useita brittejä ja intialaisia, kun linnoitus vuonna 1756 päätyi Itä-Intian kauppakomppaniaa vastustaneiden bengalilaisten haltuun.

Miten se liittyy mustiin aukkoihin? Lastensa mukaan Dicke saattoi manata, että tavarat olivat taas hävinneet kuin ”Kalkutan mustaan aukkoon”!'

 

3. Ovatko ne kaikki samanlaisia?

 

 

Superaukon massaa voi arvioida galaksin keskuspullistuman tähtien massasta. Mitä tuhdimmin tähtiä, sitä tuhdimpi aukko.

 

Mustia aukkoja on ainakin kahta kokoluokkaa, teoriassa useampaakin.

Tyypillisillä aukoilla, joita muodostuu isoista tähdistä, on massaa kymmenien Aurinkojen verran.

Galaksien keskustoista löytyy supermassiivisia aukkoja. Esimerkiksi Linnunradan Sagittarius A:n massa vastaa neljän miljoonan Auringon massaa.

Suurten supermassiivisten mustien aukkojen mitat uhmaavat käsityskykyä. Galaksin M87 keskustasta tunnetaan musta aukko, jonka massa on ainakin kuusi miljardia Auringon massaa. Sen tapahtumahorisonttiin mahtuisi aurinkokuntamme.

Brittifyysikko Andrew King laski vastikään suurimman teoreettisen koon galaksin ytimen mustalle aukolle. Hän päätyi 50 miljardin Auringon massaan.

Ilmeisesti on olemassa myös keskikokoisia mustia aukkoja, mutta niistä on vasta kiistanalaisia havaintoja. Niiden massa voi vastata satoja ja tuhansia Aurinkoja.

Sitten voi olla atomia pienempiä miniaukkoja, joita olisi muodostunut heti alkuräjähdyksen jälkeen. Sellaisia ei ole kuitenkaan havaittu – ja jos havaittaisiin, tutkijat palkittaisiin tuota pikaa fysiikan nobelilla.

Massan lisäksi aukoilla on vähän ominaisuuksia. Ne pyörivät, ja pyörimisnopeus voi yltää lähes valon nopeuteen. Pyöriessään musta aukko pullistuu päiväntasaajaltaan kuten maapallo.

 

4. Miten paljon niitä on?

Miljardeja miljardeja. Määrää on tosin vaikea tarkistaa, vaikka käytössä olisi koko tähtitaivasta haravoiva teleskooppien järjestelmä.

Määrää voi laskea ensinnäkin galaksien määrästä. Havaittavassa maailmankaikkeudessa on arviolta yli 200 miljardia galaksia. Jos jokaisen keskellä on supermassiivinen musta aukko, näitä jättiläisiä on yli 200 miljardia.

Tavanomaisten, parinkymmenen Auringon massaisten aukkojen määrää voi arvioida tähtien määrästä. Jos joka tuhannes tähti on riittävän iso päätyäkseen mustaksi aukoksi, näitä aukkoja voi olla sata miljoonaa pelkästään omassa Linnunradassamme.

Keskikokoisia eli sadan tai tuhannen Auringon kokoisia mustia aukkoja on vaikea laskea, sillä niistä on vain harvoja, kiistanalaisia havaintoja.

Joka tapauksessa mustat aukot ovat maailmankaikkeuden peruskauraa, eivät kummajaisia, muistuttaa astrofyysikko Peter Johansson Helsingin yliopistosta.

 

5. Mistä niitä sikiää?

 

 

Raskaan tähden elämä päättyy supernovaräjähdykseen. Ulkokuori sinkoutuu taivaan tuuliin, loppu luhistuu mustaksi aukoksi.
 

 

Mustia aukkoja syntyy, kun massiiviset tähdet, ainakin kymmenen kertaa Aurinkoa massiivisemmat, romahtavat omasta painovoimastaan. Ne ovat käyttäneet polttoaineensa, ja fuusioenergian tuotanto loppuu.

Romahtavan massiivisen tähden ytimessä on enää valtava rautapallo. Fuusion polttoaineeksi sopivat rautaa kevyemmät alkuaineet ovat vähä vähältä yhdistyneet raskaammiksi alkuaineiksi. Raudan alkuainenumero on 26, joten paljon on ehtinyt tapahtua, ennen kuin tähti romahtaa.

Tähti voi romahtaa mustaksi aukoksi suoraan tai siitä voi ensin kehittyä erittäin tiheä neutronitähti. Joka tapauksessa lopulta tähden ulkokuoret räjähtävät avaruuteen kirkkaana supernovana. Ne puhaltaa matkoihinsa säteilypaine, jonka tuottavat romahduksessa syntyvät neutriinot. Keveimmät tunnetut ainehiukkaset siis saavat aikaan massiivisen vahingon!

Super odottaa selitystä

Galaksien keskustoissa lymyävien supermassiivisten aukkojen synty on vielä tarkoin selvittämättä.

Kenties ne syntyivät maailmankaikkeuden alkuvaiheissa samaan tapaan kuin muutkin eli massiivisten tähtien romahtaessa. Vuosimiljardien aikana ne ovat vain pulskistuneet, koska niihin on pudonnut kaasuja, tähtiä ja muita mustia aukkoja.

Toinen hypoteesi olettaa, että niitä syntyi suoraan vedyn ja heliumin valtavista pilvistä. Tätä mahdollisuutta tutkitaan esimerkiksi Helsingin yliopiston fysiikan laitoksessa.

Enää tällainen syntymä ei onnistu, koska nyt maailmankaikkeuden kaasuissa leijuu raskaampia alkuaineita, jotka jäähdyttävät ja sirpaloivat kaasupilviä. Nykyisin kaasuista tiivistyy tähtiä, ei mustia aukkoja.

 

6. Miten ne paljastuvat?

 

 

Suoraa tietoa tuovat gravitaatioaallot. HIstoriallinen ensi mittaus tehtiin kahden aukon sulautumisesta.

 

Helmikuinen jymyuutinen painovoima-aaltojen havaitsemisesta tarkoitti myös sitä, että tutkijat ovat vihdoin saaneet suoran havainnon mustista aukoista. Ligo-ohjelman laserhavaintimet Yhdysvalloissa olivat tallentaneet avaruuden väreilyä, jonka aiheutti kahden mustan aukon yhdistyminen jossakin hyvin kaukana.

Ennen tätä mustia aukkoja oli havainnoitu epäsuorasti sähkömagneettisen säteilyn avulla. Paljastavaa säteilyä ei lähetä aukko itse vaan siihen putoava aine.

Kun mustan aukon läheisyyteen ajautuu vaikkapa kaasua, se putoaa kiihtyvällä vauhdilla kohti aukkoa. Ennen kuin kaasu päätyy tapahtumahorisonttiin, se kuumenee. Silloin se lähettää röntgensäteilyä, jonka voi havaita.

Luvassa muotokuva

Kuumentuva kaasu voi ryöpsäyttää myös hiukkassuihkuja, jotka lähettävät radiosäteilyä. Sen avulla mustasta aukosta voi saada jopa muotokuvan. Kuvaa Linnunradan keskustan jättiläisestä kokoavat parhaillaan eri puolilla maailmaa sijaitsevat radioteleskoopit, joiden yhteen laskettu erotuskyky vastaa maapallon kokoista teleskooppia.

Muotokuva voi valmistua vielä tänä vuonna. Oikeastaan siinä näkyy mustan aukon varjo: musta ympyrä, jota ympäröi hehkuva rengas kuin sormus. Koska musta aukko pyörii, meidän suuntaamme kiertyvä kohta näyttää kirkkaammalta ja meistä poispäin kiertyvä himmeämmältä.

Tuorla seuraa kvasaaria

Vuonna 2008 professori Mauri Valtosen ryhmä vahvisti, että kahdentoista vuoden välein kirkastuva kvasaari OJ287 on kahden mustan aukon järjestelmä. Kirkastumiset aiheuttaa säteilevä kaasu, jota sinkoutuu avaruuteen, kun pieni aukko lävistää suuren aukon kertymäkiekon.

Kvasaaria on seurattu Turun Tuorlan observatoriossa vuodesta 1982, ja sen kirkastuminen voidaan ennustaa päivän tarkkuudella. Ison aukon pyörintä ja massa on mitattu tarkemmin kuin minkään muun avaruuden kohteen.

Joskus tapahtumahorisontin lähettyviltä saapuu myös näkyvän valon välähdyksiä. Nekin syntyvät, kun aukkoon putoaa ainetta.

Aterioituaan aukko pimenee ja pysyy piilossa – kuten mustat aukot suurimman osan ajastaan pysyvät. Silloin aukon voivat kavaltaa ympäröivät tähdet, joiden liikkeisiin aukko vaikuttaa. Tähden liikettä seuraamalla havaittiin ensimmäinen musta aukko vuonna 1971: Joutsenen tähtikuviossa sijaitseva Cygnus X-1.

 

7. Ahmivatko ne kaiken?

 

 

Kaikki lähellä oleva maistuu. Cygnus X-1 kerää ainetta naapuruston jättiläistähdestä.

 

Raja löytyy ahminnalle, ja sen asettaa ympäristössä olevan aineen määrä. Mustat aukot eivät lähde etsimään lisää syötävää. Niihin putoaa se, mikä sattuu lähelle. Yleensä avaruudessa kaikki on kaukana, ainakin vakailla kulmilla, kuten Aurinkomme lähiavaruudessa.

Yhtä mieltä fyysikot ovat siitä, että mustia aukkoja ei voi syöttää pakolla. Aukkoon putoava aine säteilee, ja säteilypaine voi uhmata jopa aukon painovoimaa.

Mitä aterialle tapahtuu?

Kun mustaan aukkoon putoaa jotakin, yhteys siihen katkeaa täydellisesti. Kaikki tapahtumahorisonttiin solahtanut katoaa eikä enää palaa.

Yksinkertaisinta olisi sanoa, että kaikki tuhoutuu alkutekijöihinsä. Niin käy viimeistään silloin, kun kappale on leijunut tapahtumahorisontin läpi singulariteettiin, aukon äärimmäisen tiheään keskipisteeseen.

Fyysikoiden päänsärkynä on kuitenkin kuvailla, mitä tapahtuu putoavan kappaleen informaatiolle, sillä informaation säilyminen on nykyfysiikan, kvanttifysiikan, kulmakiviä. Jos poltamme paperinpalan, voimme tuhkasta päätellä, mitä paperi mahdollisesti sisälsi. Mustaan aukkoon päätyvä paperinpala ei jätä itsestään kuin yhden tiedon, palasen massan. Se kertoo aivan liian vähän, ja sitä fyysikoiden on vaikea hyväksyä.

Ehkä jotain karkaakin

Kun mustien aukkojen merkillisyyksistä puhutaan, pitää mainita kosmologi Stephen Hawkingin esittämä mustan aukon säteily. Vuonna 1974 Hawking ennusti, että mustat aukot sittenkin säteilevät avaruuteen jotain: lämpösäteilyä.

Kvanttifysiikan lakien mukaan maailmankaikkeudessa syntyy jatkuvasti hiukkasen ja antihiukkasen pareja. Näitä virtuaalihiukkasia on vallan kuhisemalla, mutta ne katoavat saman tien, koska aine ja antiaine tuhoavat toisensa.

Jos hiukkasen ja antihiukkasen pari syntyy aivan tapahtumahorisontin tuntumassa, musta aukko voi kaapata parista toisen, ennen kuin hiukkaset tuhoavat toisensa. Yksin avaruuteen jäänyt hiukkanen on Hawkingin säteilyä. Ainakin ulkopuolisesta tarkkailijasta näyttää, että musta aukko säteilee.

 

8. Miltä niissä tuntuisi?

 

 

Tapahtumahorisontin tuolla puolen tutkimusmatkailija leijuisi rauhallisesti kuin astronautti.

 

Mitä tapahtuisi avaruuslentäjälle, joka pyrkisi mustan aukon läpi? Sitä on pohtinut tähtitieteilijä Leena Tähtinen Tiede-lehdessä pariinkin otteeseen.

Heti aluksi pitää huomauttaa, että astronautin kannattaisi valita massiivinen aukko, sillä siihen olisi turvallisempi pudottautua kuin pieneen. Painovoima nimittäin kasvaa ison aukon läheisyydessä paljon loivemmin kuin pienen. Pieni aukko repisi matkailijan riekaleiksi jo satoja kilometrejä ennen tapahtumahorisonttia. Tämä johtuu siitä, että kehon eri osiin kohdistuisi hyvin erisuuruinen painovoima. Jos matkailija menisi jalat edellä, jalat venyisivät irti ennen päätä.

Joten annetaan astronautin hypätä supermassiiviseen mustaan aukkoon, jonka massa on miljardeja Aurinkoja. Sellaisen lähelle matkustivat avaruuslentäjät elokuvassa Interstellar, jonka kehuttiin kuvanneen mustaa aukkoa melko oikein – fyysikko Kip Thornen avustuksella.

Ulkopuolisen tarkkailijan vinkkelistä astronautti jähmettyisi kuin kuvaksi juuri ennen tapahtumahorisonttia, koska hänen aikansa hidastuisi painovoimakentässä. Hyvin pian hän katoaisi, sillä painovoima venyttäisi hänestä lähtevän valon aallonpituutta. Kun aallonpituus venyy, valo punertuu ja muuttuu lopulta näkymättömäksi.

Tapahtumahorisonttiin päässyt avaruuslentäjä ei huomaisi, että aika on hidastunut, vaan jatkaisi matkaansa rauhallisesti leijumalla. Tapahtumahorisontissa voisi viettää tunteja, pohtivat astrofyysikko Pauli Pihajoki ja tohtorikoulutettava Antti Rantala Helsingin yliopistosta. Miljardin Auringon massaisessa aukossa ehtisi leijua noin neljä tuntia.

Singulariteetti lähestyisi kuitenkin vääjäämättä. Silloin valo alkaisi kaareutua niin voimakkaasti, että matkailija näkisi kaiken takanaan ja ympärillään monena. Kaikki alkaisi myös sinistyä, koska aukkoon putoavan valon aallonpituus lyhenisi.

Singulariteetin tuntumassa kävisi huonosti. Painovoima repisi avaruuslentäjän alkeishiukkasiksi. Ulkopuolisesta tarkkailijasta näyttäisi siltä, että hän kasvattaisi mustan aukon massaa.

Vai pääsisikö matkailija singulariteetin läpi kuin mato reiästä? Kvanttipainovoiman tutkijat ovat pohtineet, ettei yleisen suhteellisuusteorian ennustamia singulariteetteja ehkä ole. Mustassa aukossa olisikin alue, jossa matkailija putoaisi äärettömän kauan.

 

9. Ovatko ne ikuisia?

Jos mustat aukot säteilevät, kuten Stephen Hawking on esittänyt, ne menettävät hiljalleen massaansa. Vauhti on kyllä käsittämättömän hidas. Auringon kokoisen aukon haihtuminen veisi miljardeja miljardeja ja miljardeja miljardeja vuosia pidempään kuin maailmankaikkeudelle on tähän mennessä kertynyt ikää.

Massan menetystä hidastaa se, että kosminen taustasäteily, avaruuteen alkuräjähdyksen jälkeen tasaisesti levittäytynyt mikroaaltosäteily, on edelleen lämpimämpää kuin Hawkingin säteily. Siksi mustiin aukkoihin putoaisi taustasäteilystä enemmän energiaa kuin ne säteilemällä menettäisivät. Taustasäteily toki viilenee hiljalleen, kun maailmankaikkeus laajenee, mutta meidän näkökulmastamme se tapahtuu mielettömän pitkän ajan kuluessa.

Tähden kokoiset ja supermassiiviset mustat aukot siis ovat pitkäikäisiä. Sen sijaan mikroskooppiset mustat aukot, jos niitä on, haihtuvat sekunnin triljoonasosissa.

 

10. Uhkaavatko ne maapalloa?

 

 

Kotigalaksimme musta aukko antoi rajun elonmerkin silloin, kun pystyihmiset aloittelivat elämäänsä Afrikassa. Kaasupurkauksen jäljet
näkyvät yhä jättiläiskuplina.

 

Linnunradan tähdistä muodostuneet mustat aukot eivät ole vaaraksi maapallolle. Lähimmät havaitut ovat tuhansien valovuosien päässä – eivätkä ne lähde vaeltelemaan sinne tänne, eivät ainakaan tänne Linnunradan syrjäiseen kierteishaaraan.

Jos Auringon paikalla olisi tähtemme massainen musta aukko, sen painovoimakin pysyisi samana. Siksi kotimme kiertäisi mustaa aukkoa samaan tapaan kuin Aurinkoa eikä putoaisi siihen. Tosin ilman tähteä täällä olisi todella pimeää ja kylmää.

Linnunradan keskustassa on kuitenkin Sagittarius A, jolla on kokoa yli neljä miljoonaa Auringon massaa. Voisiko se olla vaarallinen?

Noin pari miljoonaa vuotta sitten Sagittarius syyti avaruuteen valtavasti voimakasta säteilyä. Merkkinä purkauksesta ovat niin kutsutut Fermin kuplat, säteilyn jäännökset, jotka havaittiin vuonna 2010. Ne ulottuvat 25 000 valovuoden päähän galaksimme ylä- ja alapuolelle. Aurinkokunta sattuu olemaan yhtä kaukana Linnunradan keskustasta, mutta sivusuunnassa.

Nykyään Sagittarius on kuitenkin hyvin rauhallinen. Se on myös pieni, kun muistaa, että Linnunrata on melko suuri galaksi. Samankokoisissa galakseissa musta aukko on yleensä massaltaan kolminkertainen. Linnunradan aukkoon on siis pudonnut ainetta vain kohtuullisesti.

Ehkä asumme elämän kehittymisen kannalta melko ystävällisessä galaksissa. Keskusaukko ei ole häirinnyt ympäristöään liikaa, vaan täällä on syntynyt sopivasti tähtiä ja räjähdellyt sopivasti supernovia, joiden avaruuteen sylkemistä alkuaineista elämä ja me pääsimme muodostumaan.

 

11. Voiko niitä tehdä?

 

 

Hiukkaskiihdyttimessä protonit törmäävät lähes valon nopeudella, mutta energia riittää vain hiukkasten tekoon, ei mustaan aukkoon.
 

 

Periaatteessa mustia aukkoja voisi tehdä tehokkaassa hiukkastörmäyttimessä, mutta käytännössä ei, pohtii professori Kari Enqvist Helsingin yliopistosta.

Kun maailman suurinta hiukkaskiihdytintä LHC:tä käynnistettiin ensimmäisen kerran vuonna 2010, maailmalla levisi erikoinen ajatus: protonien törmäyksessä voisi syntyä musta aukko, joka saattaisi olla vaarallinen. Euroopan hiukkastutkimuksen keskus Cern on julkaissut tiedotteita, joissa se on kumonnut huhuja hiukkaskiihdyttimen vaarallisuudesta.

Sinänsä ajatus mustan aukon tekemisestä ei ole teoreettisesti aivan älytön. Musta aukko syntyy, kun riittävä massa tai energia puristetaan riittävän pieneen tilaan. Miksei kiihdyttimessä voisi syntyä mikroskooppisen pieniä mustia aukkoja? Siksi, että kiihdyttimen törmäysenergia on miljoonia miljoonia kertoja vähäisempi kuin energia, jonka mikroskooppisen mustan aukon syntyminen vaatisi.

Entä jos sittenkin

Energialaskelma koskee törmäyksiä tuntemassamme neliulotteisessa maailmankaikkeudessa. Jos ulottuvuuksia on enemmän, pieniä mustia aukkoja voisi syntyä jopa LHC:ssä.

Enqvist ja kollegat laskivat vuosia sitten itseään virkistääkseen, miten äärimmäisen pienen mustan aukon kävisi, jos sellainen jotenkin syntyisi LHC:n uumenissa eikä katoaisi heti, kuten todennäköisesti kävisi.

Minimalistinen musta aukko painaisi tonnikaupalla, joten se putoaisi Cernin kiihdytintunnelista kohti maapallon ydintä ja jatkaisi samaa vauhtia toiselle puolelle. Sitten se putoaisi takaisin ja jäisi heilahtelemaan edestakaisin maapallon laidalta toiselle. Se oskilloisi miljardeja vuosia, Enqvist muistelee hauskaa laskelmaa.

Ihmiskunta ei olisi vaarassa. Fyysikoiden kuvittelema musta aukko olisi niin pieni, että siihen mahtuisi putoamaan vain atomeja, jos niitäkään.

Jos jokin pystyisi maapallolle pienen mustan aukon tekemään, niin luonto. Avaruudesta sinkoutuu maapallon ilmakehään toistuvasti hiukkasia, joilla on enemmän energiaa kuin LHC:n törmäyksissä syntyy. Mikroskooppisia mustia aukkoja ei silti ole havaittu.