Must auk

pisi|Gravitatsioonilise läätse nähtus moonutab tausta (Suur Magellani Pilv) musta augu ümbruses (kunstniku interpretatsioon / tõlgendus). Seni pole astronoomidel õnnestunud saada ülesvõtet, kus oleks gravitatsiooniline lääts nii ilmekalt näha
Must auk on suure massi ja tihedusega taevakeha koos aegruumi piirkonnaga, milles  gravitatsiooniväli on nii tugev, et sellest ei pääse välja miski, isegi kui see liigub valguse kiirusega  – mitte ükski osake ega elektromagnetkiirgus (sealhulgas valgus (küll aga siiski Hawkingi kiirgus). Albert Einsteini üldrelatiivsusteooria ennustab, et piisavalt tihedalt asetsev mass saab ümbritsevat aegruumi nii palju deformeerida, et tekib must auk. Musta augu ümber moodustub sündmuste horisondiks nimetatav matemaatiliselt määratletav pind, mis markeerib kohta, kust ei ole võimalik välja pääseda. Sündmuste horisondi ületamine avaldab seda läbitegevale kehale tohutut mõju, kuid üldrelatiivsusteooria järgi puuduvad sel lokaalselt vaadeldavad tunnused.Journey into a Schwarzschild black hole, jila.colorado.edu. Nimetus "must auk" peegeldab selle objekti omadust neelata kogu valgus, mis jõuab sündmuste horisondini peegeldamata osa sellest tagasi, nii nagu absoluutselt must keha. Peale selle ennustab Kvantväljateooria kõveras aegruumis, 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 juba 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.Michell, Laplace and the origin of the black hole concept. – Journal of Astronomical History and Heritage, 2009, 12, lk 90–96. 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 1960ndatel näidati, et üldrelatiivsusteooria ennustab mustade aukude võimalikkust. Neutrontähtede avastamine 1967 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. Must auk võib alguse saada ka gaasipilvede kondenseerumisel.Not Just Dying Stars: A Black Hole That Came From Gas, sciencefriday.com, 11.10.2023. 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 väl9ise akretsiooniketta, mis hõõrde tõttu kuumeneb, nii et tekib kvasar (kvasarid on Universumi heledaimad objektid). Tähtede liikumise järgi saab arvutada nende nähtamatu naabertaevakeha massi ja asukoha. Selliste vaatlustega saab välistada alternatiivid (näiteks neutrontäht). Mõnedel juhtudel on ainuke andmetele vastavat tüüpi taevakeha must auk. Nõnda on astronoomid tuvastanud arvukalt tähe massiga mustade aukude kandidaate kaksiktähtedes ja teinud kindlaks, et raadiokiirguse allikas Sagittarius A* Linnutee galaktika tuumas sisaldab ülimassiivset musta auku, mille mass on umbes 4,3 miljonit Päikese massi.

11. veebruaril 2016 teatas LIGO esmakordsest gravitatsioonilainete otsesest vaatlusest, mis oli ühtlasi esimene mustade aukude ühinemise vaatlus.B. P. Abbott et al. Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger. – Phys. Rev. Lett., 2016, 116. Veebis. Detsembriks 2018 oli vaadeldud 11 gravitatsioonilainet, 10 mustade aukude ühinemisest ja ühest neutrontähtede ühinemisest.Ethan Siegel.Five Surprising Truths About Black Holes From LIGO, forbes.com, 1.2.04.Detections, ligo.org. 10. aprillil 2019 avaldati esimene otsene ülesvõte mustast august ja selle ümbrusest: aastal 2017 oli Event Horizon Telescope'iga vaadeldud ülimassiivset musta auku galaktika Messier 87 tuumas.First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The Shadow of the Supermassive Black Hole. – The Astrophysical Journal, 2019, 87 (1). Resümee.Black Hole Image Makes History, jpl.nasa.gov, 10.4.2019.Katie Bouman: The woman behind the first black hole image, bbc.com, 11.4.2019.

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:

kus  on gravitatsioonikonstant,  on objekti mass, ja  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.

pisi|Musta augu skemaatiline läbilõige. (Skeem on pärit lehelt Black Hole Anatomy ja seda on lubatud kasutada vastavalt litsentsitingimustele, millega on võimalik tutvuda lehel Notice to Users.)

Omadused ja ehitus

Paokiirus mustalt augult valguse kiirus. Paokiiruse valem onkus R on kerakujulise taevakeha raadius, M selle mass  ja G on gravitatsioonikonstant. Kui kiirus on valguse kiirus c, siis raadiust  nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks.Leonard Susskind.  The black hole war: my battle with Stephen Hawking to make the world safe for quantum mechanics, 1. trükk, Little, Brown: New York 2008, ISBN 978-0-316-01640-7, lk 27. Musta augu võibki defineerida kui mis tahes objekti, mille mass sisaldub väiksemas raadiuses kui selle Schwarzschildi raadius. See piir on tuletatud ühest üldrelatiivsusteooria võrrandite lahendist.Anthony Zee. Einstein Gravity in a Nutshell, 1. trükk, Princeton University Press: Princeton 2013, ISBN 978-0-691-14558-7, lk 410.

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. Kui see on tõsi, siis Kaks musta auku, millel nende suuruste väärtused langevad kokku, on eristamatud (kui ei rakendata kvantmehaanikat). Pole teada, mil määral see on tõsi reaalsete mustade aukude kohta tänapäeva füüsika seaduste järgi. 

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.Christopher  S. Reynolds. Observing black holes spin. – Nature Astronomy, 2019, 3, 1, lk 41–47.
Veebis.

pisi|Musta augu ja selle omaduste kunstiline kujutis
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 mineva 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.

Vaata ka
Must mikroauk

Viited

 Kirjandus 
 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

 Välislingid 

 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

Kategooria:Astrofüüsika
Kategooria:Taevakehad
Kategooria:Gravitatsioon
Kategooria:Üldrelatiivsusteooria
Kategooria:Füüsika lahendamata probleemid