Mustat aukot ovat ehkä kaikkein salaperäisimpiä esineitä maailmankaikkeudessa. Ellei tietenkään ole piilotettu jonnekin syvyyksiin, joiden olemassaoloa emme tiedä eikä tiedä, mikä on epätodennäköistä. Mustat aukot ovat valtavaa massaa ja tiheyttä, puristettuna yhdeksi pienen säteen pisteeksi. Näiden esineiden fyysiset ominaisuudet ovat niin outoja, että ne hämmentävät kehittyneimpiä fyysikkoja ja astrofyysikkoja. Teoreettinen fyysikko Sabine Hossfender kokosi kymmenen tosiasioista mustista aukoista, jotka kaikkien tulisi tietää.
Mikä on musta aukko?
Mustan aukon määrittävä ominaisuus on sen horisontti. Tämä on raja, jonka yli mikään, ei edes valo, voi palata. Jos irrotettu alue irtoaa ikuisesti, puhumme "tapahtumahorisontista". Jos se erotetaan vain väliaikaisesti, puhumme "näkyvästä horisontista". Mutta tämä "väliaikainen" voi tarkoittaa myös sitä, että alue erottuu paljon kauemmin kuin maailmankaikkeuden nykyinen ikä. Jos mustan aukon horisontti on väliaikainen, mutta pitkäikäinen, ensimmäisen ja toisen ero on epäselvä.
Kuinka suuria ovat mustat aukot?
Voit kuvitella mustan aukon horisontin pallona, ja sen halkaisija on suoraan verrannollinen mustan aukon massaan. Siksi mitä enemmän massaa putoaa mustaan aukkoon, sitä suurempi mustasta aukosta tulee. Tähtikohteisiin verrattuna mustat aukot ovat kuitenkin pieniä, koska massa puristuu hyvin pieniksi tiloiksi vastustamattoman painovoiman vaikutuksesta. Esimerkiksi mustan aukon, jonka massa on maapalloa, säde on vain muutama millimetri. Tämä on 10 000 000 000 kertaa pienempi kuin maapallon nykyinen säde.
Mainosvideo:
Mustan aukon sädettä kutsutaan Schwarzschildin säteeksi Karl Schwarzschildin mukaan, joka johti ensin mustat aukot ratkaisuna Einsteinin yleiseen suhteellisuusteoriaan.
Mitä horisontissa tapahtuu?
Kun ylität horisontin, ympärilläsi ei tapahdu mitään erityistä. Kaikki johtuu Einsteinin vastaavuusperiaatteesta, josta seuraa, että et voi löytää eroa tasaisen tilan kiihtyvyyden ja avaruuden kaarevuuden aikaansaavan painovoimakentän välillä. Mustasta aukosta poissa oleva tarkkailija, joka seuraa jonkun muun putoamista, huomaa, että henkilö liikkuu yhä hitaammin lähestyessään horisonttia. Ikään kuin aika liikkuu hitaammin lähellä tapahtumahorisonttia kuin kaukana horisontista. Jonkin aikaa kuitenkin kuluu, ja reikään putoava tarkkailija ylittää tapahtumahorisontin ja löytää itsensä Schwarzschildin säteeltä.
Se, mitä koet horisontissa, riippuu painovoimakentän vuorovesivoimista. Horisontin vuorovesi on kääntäen verrannollinen mustan aukon massan neliöön. Tämä tarkoittaa, että mitä suurempi ja massiivisempi musta aukko, sitä vähemmän voimaa. Ja jos vain musta aukko on riittävän massiivinen, voit ylittää horisontin ennen kuin huomaat edes, että jotain tapahtuu. Näiden vuorovesivoimien vaikutus venyttää sinua: fyysikkojen tähän käyttämä tekninen termi on spagettointia.
Yleisen suhteellisuusteorian alkuaikoina uskottiin, että horisontissa oli singulariteettia, mutta tämä ei osoittautunut paikkansa.
Mikä on mustan aukon sisällä?
Kukaan ei tiedä varmasti, mutta ei ehdottomasti kirjahylly. Yleinen suhteellisuusteoria ennustaa, että mustassa aukossa on singulariteetti, paikka, jossa vuorovesi kasvaa äärettömän suureksi, ja kun ylität tapahtumahorisontin, et voi mennä muualle kuin singulariteettiin. Siksi on parempi olla käyttämättä yleistä suhteellisuusteoriaa näissä paikoissa - se ei yksinkertaisesti toimi. Tarvitsemme kvanttipainovoiman teorian kertomaan, mitä tapahtuu mustan aukon sisällä. On yleisesti hyväksyttyä, että tämä teoria korvaa singulariteetin jollakin muulla.
Kuinka mustat aukot muodostuvat?
Me tiedämme tällä hetkellä neljästä eri tapasta mustia aukkoja. Paras ymmärrys liittyy tähtien romahtamiseen. Riittävän suuri tähti muodostaa mustan aukon sen jälkeen, kun sen ydinfuusio loppuu, koska kaikki, mikä voitaisiin jo syntetisoida, on syntetisoitu. Kun fuusion synnyttämä paine loppuu, aine alkaa pudota kohti omaa painopistettä, tiheämmäksi. Loppujen lopuksi se muuttuu niin tiheäksi, että mikään ei voi voittaa gravitaatiovaikutusta tähden pinnalla: näin syntyy musta aukko. Näitä mustia aukkoja kutsutaan "aurinkomassan mustiksi aukkoiksi" ja ne ovat yleisimpiä.
Seuraava yleinen mustan aukon tyyppi on "supermassiivinen musta aukko", joka löytyy monien galaksien keskuksista ja jonka massa on noin miljardi kertaa suurempi kuin auringon mustien aukkojen. Ei vielä tiedetä tarkalleen, miten ne muodostuvat. Uskotaan, että ne alkoivat kerran aurinkomassan mustina aukkoina, jotka kuluttivat monia muita tähtiä tiheästi asutuissa galaktisissa keskuksissa ja kasvoivat. Ne näyttävät kuitenkin absorboivan ainetta nopeammin kuin tämä yksinkertainen idea ehdottaa, ja kuinka tarkalleen he tekevät sen, on edelleen tutkimuksen kohteena.
Kiistanalaisempi idea oli alkuperäiset mustat aukot, jotka olisivat voineet muodostaa melkein mikä tahansa massa suurissa tiheysvaihteluissa varhaisessa maailmankaikkeudessa. Vaikka se on mahdollista, on vaikea löytää mallia, joka tuottaa ne luomatta niitä liikaa.
Lopuksi on hyvin spekulatiivinen ajatus, että pienet mustat aukot, joiden massa on lähellä Higgsin bosonin massaa, voisivat muodostua Suuressa hadronitörmäyslaitteessa. Tämä toimii vain, jos maailmankaikkeuksellamme on ylimääräisiä ulottuvuuksia. Toistaiseksi ei ole vahvistettu tämän teorian puolesta.
Mistä tiedämme, että mustia aukkoja on olemassa?
Meillä on paljon havainnointitodistuksia kompakteista esineistä, joiden massa on suuri ja jotka eivät lähetä valoa. Nämä esineet luovuttavat itsensä gravitaatiovoimalla esimerkiksi muiden tähtien tai kaasupilvien liikkumisen takia heidän ympärillään. Ne luovat myös gravitaatiolinssejä. Tiedämme, että näillä esineillä ei ole kiinteää pintaa. Tämä seuraa havainnoista, koska aineen, joka putoaa esineelle, jolla on pinta, pitäisi aiheuttaa enemmän hiukkasia kuin horisontin läpi putoava aine.
Miksi Hawking sanoi viime vuonna, ettei mustia aukkoja ole olemassa?
Hän tarkoitti, että mustilla aukoilla ei ole ikuista tapahtumahorisonttia, vaan vain väliaikainen näennäinen horisontti (ks. Kappale yksi). Tiukassa mielessä vain tapahtumahorisontti katsotaan mustaksi aukoksi.
Kuinka mustat aukot lähettävät säteilyä?
Mustat aukot lähettävät säteilyä kvanttivaikutusten vuoksi. On tärkeää huomata, että nämä ovat aineen kvanttivaikutuksia, eivät painovoiman kvanttivaikutuksia. Romahtavan mustan aukon dynaaminen tila-aika muuttaa hiukkasen määritelmää. Kuten ajan kuluminen, joka vääristyy lähellä mustaa aukkoa, hiukkasten käsite on liian riippuvainen tarkkailijasta. Erityisesti, kun mustaan aukkoon putoava tarkkailija luulee putoavansa tyhjiöön, kaukana mustasta aukosta oleva tarkkailija ajattelee, että tämä ei ole tyhjiö, vaan hiukkasia täynnä oleva tila. Aika-ajan venyttäminen aiheuttaa tämän vaikutuksen.
Ensimmäisen kerran Stephen Hawking löysi mustan aukon lähettämän säteilyn nimeltä Hawking-säteily. Tämän säteilyn lämpötila on kääntäen verrannollinen mustan aukon massaan: mitä pienempi musta aukko, sitä korkeampi lämpötila on. Tähtien ja supermassiivisten mustien aukkojen, joiden tiedämme olevan lämpötilat selvästi alle mikroaaltotaustan lämpötilan, eikä niitä siksi havaita.
Mikä on tietoparadoksi?
Tietojen menetysparadoksi johtuu Hawkingin säteilystä. Tämä säteily on puhtaasti lämpö, ts. Sillä on vain sattumanvarainen lämpötila ja sillä on tiettyjä ominaisuuksia. Säteily itsessään ei sisällä tietoja mustan aukon muodostumisesta. Mutta kun musta aukko lähettää säteilyä, se menettää massan ja supistuu. Kaikki tämä on täysin riippumatonta aineesta, josta tuli osa mustaa aukkoa tai josta se muodostui. On käynyt ilmi, että tietäen vain haihtumisen lopullisen tilan, ei voida sanoa, mistä musta aukko muodostui. Tämä prosessi on "peruuttamaton" - ja kiinni on, että kvanttimekaniikassa ei ole tällaista prosessia.
On käynyt ilmi, että mustan aukon haihtuminen ei ole yhteensopivaa kvanttiteorian kanssa, koska tunnemme sen, ja siihen on tehtävä jotain. Poista epäjohdonmukaisuus jotenkin. Useimmat fyysikot uskovat ratkaisun olevan, että Hawking-säteilyn on jotenkin sisällettävä tietoa.
Mitä Hawking ehdottaa mustan aukon tietoparadoksin ratkaisemiseksi?
Ajatuksena on, että mustilla aukoilla on oltava tapa tallentaa tietoja, joita ei ole vielä hyväksytty. Tiedot tallennetaan mustan aukon horisonttiin ja voivat aiheuttaa pieniä hiukkasten siirtymiä Hawkingin säteilyssä. Näissä pienissä siirtymissä saattaa olla tietoa loukkuun jääneestä aineesta. Tämän prosessin tarkat yksityiskohdat ovat tällä hetkellä epäselvät. Tutkijat odottavat tarkempaa teknistä paperia Stephen Hawkingilta, Malcolm Perryltä ja Andrew Stromingeriltä. He sanovat, että se ilmestyy syyskuun lopussa.
Tällä hetkellä olemme varmoja, että mustia aukkoja on olemassa, tiedämme missä ne ovat, miten ne muodostavat ja mitä niistä lopulta tulee. Mutta yksityiskohdat siitä, mihin tieto heille menee, edustavat silti yhtä maailmankaikkeuden suurimmista mysteereistä.
Ilya Khel