MUSTAD AUGUD

1. Selgitav sissejuhatus: Mis on mustad augud?

Mustad augud koosnevad ainest, mis on ülitihedalt kokku surutud. Seepärast on mustad augud on niisugused kosmilised kehad, mis omavad väga suurt külgetõmbejõudu.

Põhimõtteliselt võiks igast kosmilisest kehast teha musta augu, kui õnnestuks nende külgetõmbejõudu suurendada.

Kui viskad palli Maa pinnalt õhku, võid kindel olla, et, kui pall jõuab teatud kõrguseni, kukub ta tagasi maapinnale. Mida kõrgemale palli visata, seda kõrgemale ta lendab, sest pall saab visates suurema kiiruse.

Kui pall saaks kiiruse 40 000 km/h, siis ületaks jõud, millega me palli üles tõukame, Maa külgetõmbejõu ja pall lendaks kosmosesse.

Kui aga Maa suruda kokku pisikeseks 1 sentimeetrise läbimõõduga keraks, ilma, et Maa ainest midagi kaotsi läheks, siis suureneb Maa külgetõmbejõud nii suureks, et Maa muutub musta augu sarnaseks. Ta hakkab ülisuure jõuga kõiki asju enda külge tõmbama. Isegi valgus ei pääseks niisugusest mustast august läbi.

Mustad augud tekivad harilikult hiigeltähtede - punaste hiidude (mis on Päikesest vähemalt 4 korda suuremad) kokkuvarisemisel.

Musti auke on kosmosest teleskoobiga väga raske leida. Neid avastatakse mõju järgi mida nad teistele taevakehadele avaldavad.

Näiteks võib musti auke avastada kaksiktähtede korral, millest üks on muutunud mustaks auguks. Siis hakkab ta imema teise tähe gaasi endasse ja gaas kuumeneb ning hakkab helendama. Kui näha seda helendust, võib kindlaks teha musta augu.

Kui maa sees on auk, millest meil on villand, ajame selle täis, ja seda ei ole enam. Kui tegemist on musta auguga, siis – mida enam me sellesse miskit loobime, seda suuremaks see auk läheb. Et musta auku täis ajada, tuleb sellest ainet välja võtta. Kuna see pole võimalik, saavad mustad augud ainult kasvada. Musta augu raadius, täpsemini – gravitatsiooniline raadius (ehk sündmuste vaatlemise piir ehk singulaarsuse piir ehk lõkspind) on lihtsalt võrdeline musta augu massiga.

Musti auke reedabki nende aplus. Nad on valmis ahmima endasse kõike, mis nende lähedusse satub.

Käesoleva referaadi eesmärgiks ongi uurida lähemalt selliste kosmiliste nähtuste nagu mustad augud olemust.

2. Schwarzschildi must auk

Mustad augud on taevakehad, milledelt ei jõua meieni ükski valguskiir. A. Einsteini teooria järgi ei saa valgus lahkuda kehalt ja jõuda eemaloleva vaatlejani, kui keha raadius võrdub Schwarzschildi raadiusega. Sellise keha pinnal läheneb gravitatsiooni- ehk külgetõmbejõud lõpmatusele.

Et rääkida edasi mustadest aukudest, tuleb selgeks teha mõned uued mõisted.

Aegruum - aeg ja ruum moodustavad 4-mõõtmelise terviku, kus kolm mõõdet on ruumilised ja üks mõõde ajaline.

Singulaarsus - koht, kus aegruumi kõverus on lõpmatu; aine tihedus on singulaarsuses lõpmatu suur.

Sündmuste horisont - aegruumi selliste punktide kogum, kus aja kulg eemaloleva vaatleja jaoks jääb seisma.

Must auk on aegruumi tugevasti kõverdunud piirkond; ta sisaldab singulaarsust, mis on piiratud sündmuste horisondiga.

Schwarzschildi musta augu (s.o. mittepöörlev, elektriliselt neutraalne, kuid kindla massiga must auk) puhul nimetatakse sündmuste horisondi raadiust Schwarzschildi raadiuseks:

M on musta augu mass, G gravitatsioonikonstant ja c valguse kiirus.

3. Musta augu teke

Reaalselt võivad mustad augud tekkida suurtest, oma evolutsiooni lõppstaadiumisse jõudnud tähtedest, mis on jäänud ilma oma sisemisest energiaallikast. Tähe gaasi rõhk ei ole enam suuteline gravitatsioonijõule vastumõju avaldama - täht variseb omaenese raskuse all kokku. Seda nähtust nimetatakse gravitatsiooniliseks kollapsiks.

Kauge vaatleja näeb musta augu tekkimisel järgmist pilti: gravitatsioonijõu mõjul suure hooga tsentri poole kokkulangeva tähe raadius väheneb kiiresti. Kuid mida lähemale jõuab raadius Schwarzschildi raadiuseni, seda rohkem tähe kokkutõmbumine aeglustub. Eemalolevale vaatlejale näib, et tähe pind läheneb Schwarzschildi raadiusele lõpmatult kaua ja saavutanud Schwarzschildi raadiuse, kokkutõmbumine lausa lakkab. Ent loomulikult variseb see täht edasi kohutava kiirusega tsentri poole kokku, eemalolevale vaatlejale ainult näib, et tähe pind tardub paigale, sest vaatleja jaoks jäi aja kulg tähe pinnal, kui see saavutas Schwarzschildi raadiuse, lihtsalt seisma ja igasugune liikumine lakkas. (Siin ilmneb aja suhtelisus: ülitugevas gravitatsiooniväljas aja kulg aeglustub!).

Samal ajal paistab täht järjest punasem ja tumedam, kuni lõpuks muutub nähtamatuks. Sellise "värvide mängu" põhjustab jällegi tugev gravitatsioon. Tugev gravitatsioon kutsub esile punanihke - tähe pinnalt vaatlejani jõudnud valgus punaneb.

4. Mis juhtub raketiga, kui ta langeb musta augu poole?

Mis juhtub kehaga, kui ta langeb vabalt musta augu poole? Olgu selliseks kehaks rakett. Mustale augule lähenedes raketi kiirus kasvab. Kiirenduse annab talle gravitatsioonijõud, mis mustale augule lähenedes muutub järjest tugevamaks. Schwarzschildi sfääril ehk sündmuste horisondil on raketi kiirus juba võrreldav valguse kiirusega. Hakkavad ilmnema relativistlikud efektid. Kui eemalolev vaatleja näeb, et raketi langemine musta augu suunas aeglustub kuni täieliku peatumiseni vahetult enne sündmuste horisonti, siis raketis viibivad astronaudid midagi sarnast ei märka.

Tähelepanu tuleb pöörata veel ühele nähule. Musta auku langemisel hakkavad raketile ja seal viibivatele reisijatele mõjuma hiiglasuured loodejõud. Need on jõud, mis mõjuvad keha igale punktile erinevalt ja mille tagajärjel rakett koos reisijatega kistakse tükkideks. Loodejõud on seda suuremad, mida väiksem on musta augu mass.

Kui kuidagi suudetaks loodejõude vältida, näiteks langedes väga suure massiga musta auku (mille mass võrdub umbes 10 Päikese massiga), näevad astronaudid oma teekonnal järgmist pilti. Kui rakett on veel väga kaugel mustast august, siis esi-illuminaatorist avaneva vaatevälja keskpunktis on märgata vaid väikest tumedat laiku. Tumeda laigu vahetus läheduses on taevas moondunud, ülejäänud osas näeb see välja täiesti tavaline. Valgus galaktikatelt ja tähtedelt, mis paistavad raketi tagumisest illuminaatorist, on astronautideni jõudes tugevas punanihke seisundis.

Sündmuste horisondil täidab must auk vaid poole vaateväljast, mis avaneb esi-illuminaatorist. Seda tänu aberratsiooni efektile, mis kaasneb suurte kiirustega. Esi-illuminaatorist näha olev taevas on musta augu ümbruses tugevasti moondunud: astronaudid näevad suuremat osa meie universumi tähtedest ja galaktikatest (joonis 1b). Tagumisest illuminaatorist paistab meie universum üha tugevnevas punanihke seisundis (joonis 2b).

Kui rakett on jõudnud läbida sündmuste horisondi ja asub sündmuste horisondi ja singulaarsuse vahel, näevad astronaudid esi-illuminaatorist ikka veel meie universumit ja musta auku. Samal ajal näevad nad ka teist, täiesti uut universumit. Must auk paistab neile tumeda rõngana meie ja uue universumi vahel (joonis 1c).

Mida lähemale singulaarsusele, seda rohkem äärte poole nihkununa ja kitsama rõngana must auk välja paistab. Samal ajal näevad astronaudid uut universumit järjest suuremana ja vahetult enne singulaarsust täidab uus universum terve esi-illuminaatorist avaneva välja (joonis 1d). Tagumisest illuminaatorist paistab kogu sõidu vältel meie oma universum, aga üha rohkem moondunud kujul (joonis 2c,d).

Tuleb arvestada, et kogu see vaatepilt kestab vaid lühikese aja (võibolla sekundi murdosa) jooksul.

Reis lõpeb katastroofiga, mingit võimalust Schwarzschildi sfäärist välja ja tagasi oma universumi pääseda pole.

5. Pöörlevad mustad augud

Siiamaani vaadeldud musta auku ehk nn. Schwarzschildi musta auku iseloomustab ainult üks suurus - mass (M). Kuna suure tõenäosusega tekivad mustad augud massiivsetest tähtedest ja kõik tähed pöörlevad ümber oma telje, siis peavad ka mustad augud pöörlema. S.t., et peale massi iseloomustab musti auke veel ka teine suurus - impulssmoment (L). Selline, pöörlev must auk erineb oluliselt mittepöörlevast mustast august. Kõigepealt ei muutu gravitatsioonijõud lõpmata suureks mitte sündmuste horisondil, vaid juba väljaspool seda - pinnal, mida kutsutakse statsionaarsusrajaks (mis on ellipsoidikujuline). Statsionaarsusraja ja sündmuste horisondi vahele jäävas piirkonnas ei saa ükski sinna tunginud keha jääda liikumatuks. Pöörisväli tõmbab keha liikuma. Keha ei pea sugugi liikuma tsentri suunas, vaid võib läheneda statsionaarsusrajale ja isegi väljuda sellest. Ka pole pöörleva musta augu singulaarsus enam punkt (nagu Schwarzschildi mustal augul), vaid on rõngakujuline, läbi mille astronaudid võivad sattuda uude universumi ehk antigravitatsioonimaailma. Sellises uues aegruumis must auk mitte ei "ime" enda sisse valgust ja (anti) ainet, vaid tõukab seda endast eemale.

6. Mis juhtub raketiga, kui ta sukeldub pöörlevasse musta auku?

Vaatame, mis juhtub raketiga, kui ta sukeldub pöörlevasse musta auku. Läbides sündmuste horisondi on astronautidel mitu võimalust. 1) Kui nad liiguvad singulaarsuse poole (meenutame, et singulaarsus on rõngakujuline) piki selle ekvatoriaaltasapinda, tabab raketti sama saatus, mis mittepöörleva musta augu puhul. 2) Kui astronaudid lähenevad singulaarsusele mingi nurga all selle ekvatoriaaltasapinnaga, siis satuvad nad läbi rõngakujulise singulaasuse antigravitatsioonimaailma (negatiivsesse universumi). 3) Astronautidel on ka kolmas võimalus: kalduda singulaarsusest kõrvale, pöörduda tagasi ja väljuda läbi sündmuste horisondi tavalisse, kuid nüüd juba tuleviku universumi. Pärast seda võivad astronaudid kas jääda sellesse tuleviku universumi, külastades sealseid planeete, või tagasi pöörduda musta auku ja jällegi teha valik samade 3 võimaluse vahel. Ehk meie astronautidest on saanud ajarändurid.

7. Mustade aukude klassid massi järgi

   - Mass vähemalt 1015 g (miljard tonni), raadius 10-13 cm (elektroni raadius). Need, mini- ehk reliktaugud on säilinud Suure Paugu alghetkedest. Kui nad üldse olemas on, võivad nad moodustada nähtamatu aine ja olla universumi kõige levinumad objektid.

   - Tähe massiga mustad augud, näiteks M=5 M!, R=15 km. Läbi põlenud suure massiga tähe jäänukeid, peaaegu kindlaid musti auke on teada tosin.

   - Massiivsed mustad augud: M=1000 M!, R=3000 km. Niisugune objekt avastati alles 1999. aasta lõpul ühe galaktika keskme läheduses. Arvatakse, et massiivsetes galaktikates kohtame selliseid edaspidigi.

Kui mass on sada tuhat kuni miljard Päikese massi, näiteks M=500 miljonit M!, R=1,5 miljardit km=0,00015 v.a.=10 a.ü., on tegemist supermassiivse musta augu ehk monstrumauguga. Niisugune näikse resideerivat peaaegu kõigi suure massiga galaktikate keskmes.

8. Must auk galaktika keskmes

   Gaas ja tähed tiirlevad ümber galaktika keskme. Sattunud seal paikneva monstrumi lähedusse on neil ikka mingi hoog sees ja nad ei kuku auku otse, vaid jäävad tiirlema selle ümber ning moodustavad akretsiooniketta. Musta augu magnetväljas tohutu kiirusega liikuvad laetud osakesed hakkavad kiirgama ja akretsiooniketas muutub nähtavaks. Pöörases gravitatsiooniväljas ja üha lisanduvas gaasis ei saa olla rahu – akretsiooniketas on mitmes mõttes ebastabiilne, seal tekib tihendeid, lööklaineid ja peaaegu valguse kiirusega paiskuvad välja tohutud gaasipilved.

   Akretsiooniketta pöörlemiskiirus võimaldab hinnata vaadeldavas ruumiosas sisalduvat massi. Galaktikates, kus on õnnestunud määrata massi–heleduse suhe, on mass ikka tuhandeid või miljoneid kordi suurem sellest, milline oleks vaadeldavat valgust kiirgavate tähtede kogumass. Tähendab – seal on must auk.

   Päikesesüsteem ja spiraalne galaktika on sarnased. Mõlemad on tekkinud gaasipilvest, mis kokku tõmbudes hakkas kiiremini pöörlema ja muutus üha lapikumaks. Keskele koondus suurim osa massist (vastavalt Päike ja galaktika tuum/must auk), mille ümber tiirlevad väiksemad kehad (vastavalt planeedid ja tähed). Kõik tähed on tekkinud kokkutõmbuvas gaasipilves, ja nagu me teame, tekib selles enamasti kaks tihendit – kaksiktäht. Harvemini tekib kolmik- või neliktäht, kuid teame isegi kuuiktähti. Kas galaktika keskel ei võiks moodustuda kaksiktuum, kaksik must auk? Niisamuti kolmik- või nelikauk jne.?

   Miks mitte. Kaksiktuum on avastatud mitmel galaktikal, kuid asi pole veel selge. Tegemist võib olla kahe erineva kokkupõrganud galaktika tuumaga, kahe musta auguga, mis pole (veel) ühte sulanud või näeme neid parajasti üksteisest mööduvat.

9. Mustade aukude tants

   Vahest aitavad selgust tuua kvasarid ja raadiogalaktikad, mis nähtavas valguses ja raadiokiirguses tehtud fotol näevad välja täiesti erinevad. Mitmed raadiogalaktikad on valgusfotol võrdlemisi tavalise väljanägemisega, raadiofotol aga paistab vaid üks, vahel kaks üliheledat punktikujulist kiirgusallikat. Vahel on raadiokiirguses näha üks või kaks võimast gaasijuga või -pilve – kõrva, mis on välja paiskunud täpselt galaktika keskmest. Sümmeetrilisi kahekõrvalisi galaktikaid, kui neis on toimunud hiigelplahvatus, võiks justkui pidada normaalseiks. Ühekõrvalised oleks sel juhul vangoghid. Hämmastav, et jõudnud ligi 100 miljoni valgusaasta kauguseni galaktikast, pole kõrvad ikka veel jahtunud ja hajunud. Veelgi enam – mõni kõrv kiirgab osaliselt ka valgust ja isegi röntgenikiirgust. Selge on vaid see, et kõrvade kiirgus ei ole soojuslik. Ei plahvatustele galaktikate tuumas ega kõrvadele ole korralikku seletust.

   Sel alal on märkimisväärset tööd teinud meie põhjanaabrid. Helsingi tähetorni assistent Mauri Valtonen innustus kohe, kui 1969. aastal esmakordselt kuulis mustadest aukudest. Sõitnud Cambridge'i, ei õnnestunud tal saada oma doktoritöö juhendajaks kumbagi ala parimaist asjatundjaist, ei Stephen Hawkingit ega praegust Inglise kuninglikku astronoomi sir Martin Reesi, kuid piisas töötamisestki sealses ülisoodsas teadusõhkkonnas. Kasutades tolle aja täpsemaid galaktikamudeleid koostanud Sverre Aarsethi programme, paigutas ta galaktika keskmesse supermassiivsete mustade aukude erinevaid kombinatsioone ja sai huvitavaid tulemusi.

   Selle järgi ei ole mitmest mustast august koosnev süsteem galaktika keskmes dünaamiliselt stabiilne. Varem või hiljem visatakse sealt üks või kaks väiksemat musta auku välja (gravitatsiooniling toimib sarnaselt linguga, mille abil heidetakse kivi). Oma teekonnal galaktika keskmest ääreni korjab must auk endale uhke gaasist ja tähtedest koosneva saatjaskonna. Kümnete tuhandete valgusaastate kaugusele lendava väljaheidetu ümber toimuvad samad protsessid, mis galaktika tuumas, vaid väiksemas mõõtkavas. Väljaheidetud must auk või augud võivad galaktika ümber pendeldada miljardeid aastaid. Galaktikate kõrvad oleksid siis mustade aukude tantsuga kaasnev nähtus.