Must auk

 
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. 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. 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. 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. Detsembriks 2018 oli vaadeldud 11 gravitatsioonilainet, 10 mustade aukude ühinemisest ja ühest neutrontähtede ühinemisest. 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.
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:
formula_1
kus formula_2 on gravitatsioonikonstant, formula_3 on objekti mass, ja formula_4 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.
Omadused ja ehitus.
Paokiirus mustalt augult valguse kiirus. Paokiiruse valem onformula_5kus "R" on kerakujulise taevakeha raadius, "M" selle mass ja "G" on gravitatsioonikonstant. Kui kiirus on valguse kiirus "c", siis raadiust formula_6 nimetatakse Schwarzschildi raadiuseks. 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.
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.
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.