Must auk

Must auk on aegruumi piirkond, millest lähtuv gravitatsioon on nii tugev, et sellest ei pääse välja miski, isegi mitte valgus , millel on mass (ei aine ega ka elektromagnetkiirgus, küll aga siiski Hawkingi kiirgus). Selle tekitab vastavalt üldrelatiivsusteooriale väga suur tihedus, mis deformeerib aegruumi. Selle piirkonna piiri, millest ei ole võimalik väljuda, nimetatakse sündmuste horisondiks. Kuigi sündmuste horisondi ületamine avaldab seda läbitegevale kehale tohutut mõju, tundub, et seda ei ole asja sees olles võimalik märgata. Must auk toimib paljuski nagu absoluutselt must keha, sest ta ei peegelda valgust. Kvantväljateooria kõveras aegruumis ennustab, et sündmuste horisondilt lähtub Hawkingi kiirgus, millel on samasugune soojuskiirguse spekter nagu absoluutselt mustal kehal, mille temperatuur on pöördvõrdeline musta augu massiga. Selle temperatuuri suurusjärk on tähe massiga mustal augul miljardikud kelvinid, mistõttu seda ei ole praktiliselt võimalik vaadelda. Objektidest, mille gravitatsiooniväli on nii tugev, et hoiab valgust kinni, mõtlesid esimest korda 18. sajandil John Michell ja Pierre-Simon Laplace. Esimese üldrelatiivsusteooria võrrandite lahendi, mis iseloomustaks musta auku, leidis 1916 Karl Schwarzschild, kuigi selle tõlgenduse ruumipiirkonnana, millest miski ei pääse välja, avaldas esimesena David Finkelstein 1958. Seda peeti kaua aega matemaatiliseks kurioosumiks, kuid 1960. aastatel näidati, et üldrelatiivsusteooria ennustab mustade aukude võimalikkust. Neutrontähtede avastamine tekitas huvi gravitatsiooniliselt kollabeerunud ülitihedate objektide kui võimaliku astrofüüsikalise reaalsuse vastu. Eeldatakse, et tähe massiga mustad augud tekivad siis, kui väga massiivsed tähed oma elutsükli lõpul kollabeeruvad. Juba tekkinud must auk võib kasvada, neelates ainet oma ümbrusest. Kui mustad augud neelavad tähti ja omavahel ühinevad, võivad tekkida ülimassiivsed mustad augud, mille mass on miljoneid Päikese masse. On üldtunnustatud, et enamiku galaktikate keskmes on ülimassiivsed mustad augud. Olgugi et musta augu sisemus on nähtamatu, saab selle kohalolu järeldada vastastikmõju järgi muu aine ja elektromagnetkiirgusega. Mustale augule langev aine võib moodustada akretsiooniketta, mis hõõrde tõttu kuumeneb, nii et tekib kvasar (kvasarid on Universumi heledaimad objektid). Kui musta augu ümber tiirleb tähti, saab nende orbiidi järgi arvutada selle massi ja asukoha. Selliste vaatlustega saab välistada alternatiivid (näiteks neutrontäht). Nõnda on astronoomid tuvastanud arvukalt tähe massiga mustade aukude kandidaate kaksiktähtedes ja teinud kindlaks, et Galaktika tuumas on ülimassiivne must auk, mille mass on umbes 4,3 miljonit Päikese massi. Must auk tekib siis, kui väga suure tähe tuumkütus on lõppenud ning tähe sisemusse suunatud gravitatsioonijõu ja tuumareaktsioonidest tekkiva rõhu tasakaal saab rikutud. Täht kollabeerub, vajudes oma enese raskuse all lõkspinna taha, kogunedes ruumipiirkonda, mis jääb sissepoole niinimetatud sündmuste horisonti ehk Schwarzschildi raadiust, selle piirkonna tihedus läheneb lõpmatusele ja seda nimetatakse singulaarsuseks. Kuigi neutron- ja kvarkmassi omadused ei ole lõpuni selged, hinnatakse musta augu tekkimiseks vajaliku aine kriitilise massi suuruseks umbes 2 kuni 3 Päikese massi. Kuigi must auk iseenesest ei ole nähtav, siis valguse kiirusele lähedase kiirusega musta auku langev aine tekitab elektromagnetkiirguse voo musta augu piirkonnast ja muudab ta nähtavaks. Kuna must auk on üldjuhul pöörlev objekt, siis lähtuvalt teooriast on musta augu pöörlemistelje poolused võimelised mateeriat emiteerima ja sealt lähtuvad teineteisele vastassuundades võimsad kiirgusvood ümbritsevasse ruumi. See protsess viib musta augu hääbumiseni. Singulaarsust ümbritseb sündmuste horisont. See on musta augu välimine piir, mille ümber aegruum on lõpmatult kõverdunud. Seda välimist piiri tuntakse ka Schwarzschild'i musta auguna, kuna saksa astrofüüsik Karl Schwarzschild arvutas esimest korda välja sündmuste horisondi suuruse. Sama suuruse iseloomustamiseks kasutatakse ka terminit Schwarzschild'i raadius: r s = 2 G m c 2 , {\displaystyle r_{s}={2\,Gm \over c^{2}},} kus G {\displaystyle G\!} on gravitatsioonikonstant, m {\displaystyle m\!} on objekti mass, ja c {\displaystyle c\!} on valguse kiirus. Maa massiga objekti kohta oleks Schwarzschild'i raadius 9 millimeetrit, niisiis nööpnõelapea suurune. Sündmuste horisondist seespool lakkavad kehtimast meile tuntud loodusseadused. Aeg ja ruum kaotavad mõtte füüsikalises tähenduses ning seal võib esineda kõige kummalisemaid nähtusi. Kaob põhjus-tagajärg printsiip ja valitseb nn. kvantgravitatsioon. Teoreetilise füüsika uuringud, mis selle valdkonnaga tegelevad, on praegu alles algelised. Tänapäeva üks kuulsamaid füüsikuid Stephen William Hawking näitas teoreetiliselt, et mustad augud "auravad". Seda tuntakse Hawkingi kiirgusena. Hawkingi kiirguse käigus tekivad musta augu energiast põhjustatult osakeste paarid, millest üks langeb tagasi musta auku, aga teine osake kiirgub eemale. On avaldatud ka arvamust, et must auk on värav, mille kaudu on võimalik saada mõnda teise ruumidimensiooni. Samuti on arvatud, et mustad augud on nn. ussiaukude sisse- või väljapääsud. Need hüpoteesid on ilmselt tingitud sellest, et mustade aukude kohta on tänapäevalgi vähe teada. Juustetuse teoreem (no-hair theorem) väidab, et kui must auk on pärast tekkimist jõudnud stabiilsesse olekusse, siis tal on ainult kolm sõltumatut füüsikalist omadust: mass, elektrilaeng ja impulsimoment. Kaks musta auku, millel nende suuruste väärtused langevad kokku, on eristamatud, kui ei rakendata kvantmehaanikat. Need omadused on erilised, sest need on väljastpoolt musta auku nähtavad. Näiteks tõukub laetud must auk samamärgilistest laengutest nagu iga laetud keha. Samamoodi võib musta auku sisaldava sfääri sees paikneva kogumassi kaugelt leida Gaussi seaduse gravitatsioonilise analoogi järgi (ADM-mass). Ka impulsimomenti saab kaugelt mõõta, kasutades gravitomagnetvälja Lense-Thirringi efekti. Kui keha langeb musta auku, siis mis tahes informatsioon keha kuju kohta või laengujaotuse kohta sellel on musta augu sündmuste horisondil ühtlaselt jaotunud ja välisvaatlejate jaoks kadunud. Horisont käitub selles olukorras nagu dissipatiivne süsteem, mis on üsna analoogne süsteemile, mille moodustab elektrit juhtiv hõõrdumise ja elektritakistusega elastne membraan (membraaniparadigma). See erineb teistest väljateooriatest (näiteks elektromagnetism), kus puudub mikroskoopiline hõõrdumine ja vastupanu, sest nad on pööratavad (T-sümmeetrilised). Et must auk jõuab lõpuks ainult kolme parameetriga stabiilsesse olekusse, siis pole võimalik vältida, et informatsioon algtingimuste kohta läheb kaduma: musta augu gravitatsiooni- ja elektriväli annab väga vähe informatsiooni selle kohta, mis musta auku sattus. Kaduma minema informatsiooni hulka kuuluvad kõik suurused, mida ei saa mõõta kaugel musta augu sündmuste horisondist, sealhulgas ligikaudse jäävusega kvantarvud, nagu summaarne barüonarv ja leptonarv. Seda nähtust on hakatud nimetama musta augu infokao paradoksiks. Ülimassiivne must auk Must mikroauk "Focus on the First Event Horizon Telescope Results - The Astrophysical Journal Letters - IOPscience". iopscience.iop.org. Vaadatud 11.04.2019. Overbye, Dennis (10. aprill 2019). "Black Hole Picture Revealed for the First Time". The New York Times (inglise). ISSN 0362-4331. Vaadatud 10.04.2019. Chan, Tracy (10. aprill 2019). "Hawaii Telescopes Helped Capture the First Image of a Black Hole—and It Has a Hawaiian Name". Hawaii Magazine. Vaadatud 11. aprillil 2019. Rob Picheta (12. aprill 2019). "The first black hole to be photographed now has a name" (inglise). CNN. Vaadatud 12.04.2019. It's been christened Powehi -- a Hawaiian phrase referring to an "embellished dark source of unending creation." Robert M. Wald. General Relativity, 1984, University of Chicago Press, ISBN 978-0-226-87033-5, lk 299–300. Robert Manuel Wald. Gravitational Collapse and Cosmic Censorship, 1998. Bernard F. Schutz. Gravity from the ground up, Cambridge University Press 2003, ISBN 0-521-45506-5, lk 110. Paul Davies. Thermodynamics of Black Holes. – Reports on Progress in Physics, 1978, 41, nr 8, lk 1313–1355. Resümee. Markus Heusler. Stationary Black Holes: Uniqueness and Beyond. – Living Reviews in Relativity, 1998, kd 1, nr 6. Arhiiviversioon Sean M. Carroll. Spacetime and Geometry, Addison Wesley 2004, ISBN 0805387323, lk 253. K. S. Thorne, R. H. Price. Black holes: the membrane paradigm, Yale University Press 1986, ISBN 978-0-300-03770-8. Warren G. Anderson. The Black Hole Information Loss Problem, Usenet Physics FAQ, 1996. J. Preskill. Black holes and information: A crisis in quantum physics, Caltech Theory Seminar, 21. oktoober 1994. Raimo Keskinen, Heikki Oja, "Musta auku otsimas". Soome keelest tõlkinud Ain Ainsaar, Valgus, Tallinn 1983 Igor Novikov, "Mustad augud ja universum". Vene keelest tõlkinud Ants Lang. Valgus, Tallinn 1991 Stephen W. Hawking, "Aja lühilugu: Suurest Paugust mustade aukudeni". Inglise keelest tõlkinud Ene-Reet Soovik – Akadeemia 1992, nr. 12 – 1993, nr. 4; peatükid "Mustad augud" ja "Mustad augud polegi nii mustad" – 1993, nr. 2, lk. 415–445 Stephen W. Hawking, "Universum pähklikoores". Tõlkinud Henn Käämbre, järelsõna Enn Saar. Eesti Entsüklopeediakirjastus, Tallinn 2002 Tiit Kändler, "Mustad augud polegi nii ihnsad" – Horisont 2004, nr. 5 Piret Kuusk, "Kihlveod mustade ja valgete aukude ümber" – Horisont 2004, nr. 5 "Stephen Hawking: musta augu hüpotees on mu suurim eksitus!" Delfi, 27. jaanuar 2014