Musta aukko
Musta aukko on äärimmäisen tiheä aika-avaruuden massakeskittymä. Siellä painovoima on niin voimakas, ettei yksikään hiukkanen tai edes sähkömagneettinen säteily pysty pakenemaan alueelta. Mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Nykykäsityksen mukaan mustan aukon sisustaa ja sen tapahtumia on mahdotonta tutkia, sillä mikään informaatio ei pysty pakenemaan sieltä.
Tähtien massaiset mustat aukot syntyvät massiivisten tähtien luhistuessa elinkaarensa loppuvaiheessa. Synnyttyään aukot voivat kasvaa kuluttamalla ympäristössään olevaa massaa, kuten toisia tähtiä, ja yhdistymällä toisten mustien aukkojen kanssa. Lopulta niistä voi muodostua miljoonien aurinkojen massaisia niin sanottuja supermassiivisia mustia aukkoja, joita uskotaan olevan useimpien galaksien, myös Linnunradan, keskuksissa.
Englantilainen geologi John Michell pohti vuonna 1784 ajatusta mustien aukkojen kaltaisista kappaleista. Häneltä luultavasti sai vaikutteita Pierre-Simon Laplace, joka teoksessaan "Exposition du système du Monde" (1796, 'Maailmanjärjestelmän esitys') esitti maininnan ”taivaankappaleesta, jonka vetovoima voisi olla niin suuri, että valo ei voi virrata siitä ulos”. Ensimmäisenä termiä ”musta aukko” käytti fyysikko John Wheeler vuonna 1967. Mustien aukkojen teoriaa huomattavasti kehittäneen professori Stephen Hawkingin mukaan musta aukko on eräänlainen reikä aika-avaruudessa.
Mustan aukon keskuksen ajatellaan olevan gravitaationaalinen singulariteetti, pistemäinen kohde, jonka tilavuus on lähellä nollaa. Singulariteettiin on keskittynyt kaikki mustan aukon massa, atomin, tähden tai jopa miljoonien tähtien massa. Tämän seurauksena sen äärimmäisen suuri tiheys synnyttää mustan aukon äärimmäisen vetovoiman.
Mustan aukon rajapintaa, jonka takaa mikään hiukkanen tai sähkömagneettinen aalto ei voi enää paeta, kutsutaan tapahtumahorisontiksi. Tapahtumahorisontin sisäpuolella pakonopeus ylittää valonnopeuden.
Pyörivällä mustalla aukolla on toinenkin tapahtumahorisontti, ellipsin muotoinen stationaarisuusraja. Sen rajan sisäpuolella mikään kappale ei voi pysyä levossa, vaan musta aukko tempaisee kaiken sinne joutuvan vastustamattomaan pyörimisliikkeeseen. Stationaarisuusrajan ja tapahtumahorisontin välistä aluetta kutsutaan ergosfääriksi. Osa ergosfääriin joutuvasta aineesta sinkoutuu ulos mustan aukon vaikutuspiiristä.
Havaituilla mustilla aukoilla on yleensä ympärillään aineesta koostuva kertymäkiekko, joka kiertää aukkoa. Kun kertymäkiekon aine menettää liike-energiaa, se menettää ainetta mustaan aukkoon.
Mustista aukoista on olemassa neljä mallia:Teoreettinen astrofysiikka tuntee myös käsitteen alaston singulariteetti. Sellainen syntyy, mikäli aukon pyörimisnopeus ylittää Schwarzschildin säteen kohdalla valon nopeuden. Tällöin tapahtumahorisontti repeytyy ja paljastaa sisällä olevan singulariteetin. Niin sanotun kosmisen sensuurin konjenktuuri kieltää näiden olemassaolon.
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 voi olla lähtöisin jostakin toisesta maailmankaikkeudesta. Valkoisen aukon sisältämä ratkaisu on kuitenkin epäfysikaalinen, koska se ei voi syntyä tähden romahtaessa ja sillä on äärettömän pitkä historia.
Musta aukko syntyy raskaimmista tähdistä 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 aukosta pakeneminen vaatisi valoa nopeamman liikkeen, kaikki materia Schwarzschildin säteen sisäpuolella luhistuu keskustaa kohti.
Schwarzschildin säde voidaan laskea kaavasta:
jossa "G" on gravitaatiovakio (formula_2 Nm/kg), "M" on kohteen massa ja "c" on valon nopeus. Massaltaan Maan kokoisen kappaleen Schwarzschildin säde on noin 9 mm.
Galaksien ytimissä on supermassiivisia mustia aukkoja, jotka eivät ole syntyneet tähtien luhistumisesta. Niiden syntytapa on vielä tuntematon, mutta kaksi selitystä ovat galaksin syntymisen yhteydessä tapahtunut materian kertyminen ja alkuräjähdyksen yhteydessä syntyminen. Syntyteoriaksi on tarjottu myös näiden kahden yhdistelmää. Koska tapahtumahorisontin säde skaalautuu lineaarisesti massan mukana, mutta sen sisänen tilavuus suhteessa säteen kolmanteen potenssiin, ei suurien aukkojen syntyminen vaadi yhtä eksoottisia olosuhteet.
Kertymällä kasvavan mustan aukon tyypilliseksi maksimimassaksi on esitetty 50 miljardia Auringon massaa. Massaraja tulee siitä, että tätä suuremmilla massoilla ei pysty syntymään vakaata kertymäkiekkoa. Tällöin aukkoon vain putoaa siihen suoraan osuva materia. Kookkain tunnettu musta aukko on 40 miljardin Auringon massainen. Tosin hiljaittain löydetyn kvasaarin TON 618 epäillään sisältävän jättiläismäisen 66 miljardin auringon massaisen mustan aukon.
Mustien aukkojen arvellaan pystyvän menettämään massaansa Hawkingin säteilynä.
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. Mustilla aukoilla on ympärillään usein kertymäkiekko. Koska materian syöksyessä mustaan aukkoon syntyy voimakasta röntgensäteilyä, on voimakas röntgenlähde myös mahdollinen musta aukko.
Jos musta aukko on kaksoistähden toisena komponenttina, sen olemassaolon voi päätellä toisen tähden liikkeestä. Tästä syystä ja lähettämänsä röntgensäteilyn vuoksi pidetään esimerkiksi Cygnus X-1:' todennäköisenä mustana aukkona.