Mustad augud on objektid universumis, mille mass on lõksus nii palju, et neil on uskumatult tugevad gravitatsiooniväljad. Tegelikult on musta augu gravitatsioonijõud nii tugev, et miski ei pääse pärast sisemusse minekut. Isegi valgus ei pääse mustast august välja, see on lõksus koos tähtede, gaasi ja tolmuga. Enamik mustaid auke sisaldab mitu korda meie Päikese massi ja kõige raskematel aukutel võib olla miljoneid päikesemasse.
Vaatamata kogu sellele massile pole tegelikku singulaarsust, mis moodustab musta augu südamiku, kunagi nähtud ega kujutatud. See on, nagu sõna viitab, tühine punkt ruumis, kuid sellel on palju massi. Astronoomid saavad neid objekte uurida ainult nende mõju kaudu neid ümbritsevale materjalile. Musta augu ümber olev materjal moodustab pöörleva ketta, mis asub vahetult väljaspool sündmuste horisondi nime kandvat piirkonda, mis on tagasituleku gravitatsioonipunkt.
Musta augu struktuur
Musta augu põhiline "ehitusplokk" on singulaarsus: ruumi täpne piirkond, mis sisaldab kogu musta augu massi. Selle ümber on ruumi piirkond, kust valgus ei pääse, andes "mustale augule" oma nime. Selle piirkonna väline "serv" moodustab sündmuste horisondi. See on nähtamatu piir, kus gravitatsioonivälja tõmme on võrdne valguse kiirus. See on ka koht, kus gravitatsioon ja valguse kiirus on tasakaalus.
Sündmuse horisondi asukoht sõltub musta augu gravitatsioonilisest tõmbejõust. Astronoomid arvutavad sündmuse horisondi asukoha musta augu ümber võrrandi R abils = 2GM / c2. R on singulaarsuse raadius, G on gravitatsiooni jõud, M on mass, c on valguse kiirus.
Musta augu tüübid ja kuidas need tekivad
Mustaid auke on erinevat tüüpi ja need tekivad erineval viisil. Kõige tavalisemat tüüpi tuntakse tähemassi musta auguna. Need sisaldavad meie Päikese massi umbes paar korda ja moodustavad suurena põhijada tähtedel (meie Päikese mass on 10–15 korda suurem) tuumakütus otsa saab. Tulemus on tohutu supernoova plahvatus mis lõhkeb tähtede väliskihid kosmosesse. See, mis järele jääb, variseb kokku, et tekiks must auk.
Kaks muud tüüpi musta auku on ülitäpsed mustad augud (SMBH) ja mikromusta augud. Üks SMBH võib sisaldada miljonite või miljardite päikeste massi. Mikro mustad augud on nende nime järgi väga pisikesed. Neil võib olla ainult 20 mikrogrammi massi. Mõlemal juhul pole nende loomise mehhanismid täiesti selged. Mikro mustad augud on teoreetiliselt olemas, kuid neid pole otseselt tuvastatud.
On leitud, et enamiku galaktikate tuumades eksisteerivad ülimassiivsed mustad augud ja nende päritolu üle vaieldakse endiselt tuliselt. See on võimalik et ülimaitsvad mustad augud on väiksemate, tähtmassiga mustade aukude ja teiste ühinemise tulemus oluline. Mõned astronoomid arvavad, et need võidakse luua ühe väga massiivse (Päikese massist sadu kordi suurema) tähe varisemisel. Mõlemal juhul on need piisavalt massiivsed, et mõjutada galaktikat mitmel viisil, alates mõjudest tähesünni kiirusele kuni nende läheduses asuvate tähtede ja materjali orbiitideni.
Seevastu mikromustreid saab luua kahe väga suure energiatarbega osakese kokkupõrkel. Teadlaste sõnul juhtub see pidevalt Maa ülemises atmosfääris ja juhtub tõenäoliselt osakeste füüsikakatsete käigus sellistes kohtades nagu CERN.
Kuidas teadlased mustad augud mõõdavad
Kuna valgus ei pääse sündmuse horisondi mõjutatud musta augu ümbrusest, ei saa keegi tegelikult musta auku "näha". Kuid astronoomid saavad neid mõõta ja iseloomustada nende mõju järgi nende ümbrusele. Teiste objektide läheduses olevad mustad augud avaldavad neile gravitatsiooni. Esiteks saab massi määrata ka musta auku ümbritseva materjali orbiidi järgi.
Praktikas järeldavad astronoomid musta augu olemasolu, uurides, kuidas valgus selle ümber käitub. Nagu ka kõigil massiivsetel objektidel, on mustadel augudel piisavalt gravitatsioonilist tõmmet, et valguse teed mööda minnes painutada. Kui musta augu taga olevad tähed selle suhtes liiguvad, paistavad nende poolt kiirgavad valgus moonutatud või tähed liikuvad ebaharilikul viisil. Selle teabe põhjal on võimalik kindlaks teha musta augu asukoht ja mass.
See on eriti ilmne galaktikaparvedes, kus klastrite, nende tumeaine ja nende mass on kokku mustad augud loovad veidra kujuga kaare ja rõngad painutades kaugemate objektide valgust, kui see möödub.
Astronoomid näevad mustaid auke ka kiirguse kaudu, mida nende ümber kuumutatud materjal eraldab, näiteks raadio- või röntgenkiirgust. Selle materjali kiirus annab olulisi vihjeid ka musta augu omadustele, millest see üritab pääseda.
Hawkingi kiirgus
Viimane viis, kuidas astronoomid võivad musta augu tuvastada, on mehhanism, mida nimetatakse Hawkingi kiirgus. Nimeks kuulus teoreetiline füüsik ja kosmoloog Stephen Hawking, Hawkingi kiirgus on termodünaamika tagajärg, mis nõuab, et energia väljuks mustast august.
Põhiidee on see, et looduslike vastasmõjude ja vaakumi kõikumiste tõttu luuakse aine elektroni ja antielektroni (nimetatakse positroniks) kujul. Kui see juhtub sündmuse horisondi lähedal, väljub üks osake mustast august, teine langeb aga gravitatsioonikaevu.
Vaatleja jaoks on kõik, mida "nähakse", mustast august eralduv osake. Osakesel näib olevat positiivset energiat. See tähendab sümmeetria järgi, et mustasse auku kukkunud osakesel oleks negatiivne energia. Tulemuseks on see, et musta augu vananedes kaotab see energiat ja kaotab seetõttu massi (Einsteini kuulsa valemi järgi E = MC2, kus E= energia, M= mass ja C on valguse kiirus).
Toimetanud ja värskendanud Carolyn Collins Petersen.