Mustat reiät ovat esineitä maailmankaikkeudessa, joiden massa on niin paljon loukussa rajojensa sisällä, että niillä on uskomattoman vahvat painovoimakentät. Itse asiassa mustan aukon painovoima on niin voimakas, että mikään ei pääse pakenemaan, kun se on mennyt sisälle. Edes valo ei pääse mustasta aukosta, se on jäänyt loukkuun tähteiden, kaasun ja pölyn kanssa. Suurimmassa osassa mustia reikiä on monta kertaa aurinkoomme massa ja raskaimmissa niistä voi olla miljoonia aurinkomassoja.
Kaikesta massasta huolimatta todellista singulaarisuutta, joka muodostaa mustan aukon ytimen, ei ole koskaan nähty tai kuvattu. Se on, kuten sana viittaa, pieni piste avaruudessa, mutta siinä on paljon massaa. Astronomit kykenevät tutkimaan näitä esineitä vain niiden vaikutuksen perusteella niitä ympäröivään materiaaliin. Materiaali mustan reiän ympärillä muodostaa pyörivän levyn, joka sijaitsee aivan alueen "horisontaalinen nimitys", joka on painovoima, josta ei ole paluuta, ulkopuolella.
Musta reiän rakenne
Mustan aukon perus "rakennuspalikka" on singulaarisuus: avaruuden tarkka alue, joka sisältää kaiken mustan aukon massan. Sen ympärillä on avaruusalue, josta valo ei pääse poistumaan antaen "mustalle aukolle" nimen. Tämän alueen ulompi "reuna" muodostaa tapahtumahorisontin. Se on näkymätön raja, jossa painovoimakentän veto on yhtä suuri kuin valonnopeus. Se on myös missä painovoima ja valon nopeus ovat tasapainossa.
Tapahtumahorisontin sijainti riippuu mustan aukon painovoimasta. Astronomit laskevat tapahtumahorisontin sijainnin mustan aukon ympärillä yhtälöllä Rs = 2GM / c2. R on singulaarisuuden säde, G on painovoima, M on massa, C on valon nopeus.
Mustat reikätyypit ja niiden muodot
Mustia aukkoja on erityyppisiä, ja ne syntyvät eri tavoin. Yleisin tyyppi tunnetaan tähtimassan mustana aukkona. Ne sisältävät suunnilleen muutaman kerran aurinkoomme massasta ja muodostavat suurina pääsekvenssi tähdet (10 - 15 kertaa aurinkomme massa) loppuu ydinpolttoaineista ytimissään. Tulos on massiivinen supernovan räjähdys joka räjäyttää tähtiä ulkokerrokset avaruuteen. Mikä taakse jää, romahtaa mustan aukon luomiseksi.
Kaksi muuta mustaa reikää ovat supermassiiviset mustat aukot (SMBH) ja mikromustat aukot. Yksi SMBH voi sisältää miljoonien tai miljardien aurinkojen massan. Mikromustareiät ovat nimensä perusteella erittäin pieniä. Niillä voi olla ehkä vain 20 mikrogrammaa massaa. Molemmissa tapauksissa niiden luomismekanismit eivät ole täysin selkeitä. Mikro mustia aukkoja on teoriassa, mutta niitä ei ole havaittu suoraan.
Supermassiivisia mustia aukkoja on havaittu olevan useimpien galaksien ytimissä, ja niiden alkuperästä keskustellaan edelleen kiihkeästi. Se on mahdollista tuo supermassiivinen musta reikä ovat seurausta pienempien, tähtimassan mustien reikien ja muiden yhdistymisestä asia. Jotkut tähtitieteilijät ehdottavat, että ne voidaan luoda, kun yksi erittäin massiivinen (satoja kertoja auringon massaa) tähti romahtaa. Joka tapauksessa, ne ovat riittävän massiivisia vaikuttamaan galaksiin monella tavalla, aina vaikutuksista tähtien syntymisnopeuteen aina tähtiä ja materiaalia kiertäviin läheisyyteen.
Toisaalta mikromustareiät voitaisiin luoda kahden erittäin korkean energian hiukkasen törmäyksen aikana. Tutkijoiden mukaan tämä tapahtuu jatkuvasti maan ylemmässä ilmakehässä ja tapahtuu todennäköisesti hiukkasfysiikkakokeiden aikana esimerkiksi CERN: n paikoissa.
Kuinka tutkijat mittaavat mustia reikiä
Koska valo ei pääse pakenemaan tapahtumahorisontin vaikutuksen alaisen mustan aukon alueelta, kukaan ei oikeastaan voi "nähdä" mustaa reikää. Tähtitieteilijät voivat kuitenkin mitata ja luonnehtia heitä ympäristövaikutustensa perusteella. Muiden esineiden lähellä olevat mustat aukot aiheuttavat niille gravitaation. Yhtäältä massa voidaan määrittää myös materiaalin kiertoradalla mustan aukon ympärillä.
Käytännössä tähtitieteilijät päättävät mustan aukon olemassaolon tutkimalla kuinka valo käyttäytyy sen ympärillä. Mustilla reikillä, kuten kaikilla massiivisilla esineillä, on tarpeeksi painovoimaa vetääksesi valon polkua sen ohitse. Kun mustan aukon takana olevat tähdet liikkuvat suhteessa siihen, niiden lähettämä valo näyttää vääristyneeltä tai tähdet näyttävät liikkuvan epätavallisella tavalla. Näiden tietojen perusteella voidaan määrittää mustan aukon sijainti ja massa.
Tämä on erityisen ilmeistä galaksi-klustereissa, joissa klusterien, niiden pimeän aineen ja niiden yhdistetty massa mustia reikiä luodaan outoa muotoisia kaaria ja renkaita taivuttamalla kauempana olevien esineiden valoa sen ohitse.
Astronomit voivat myös nähdä mustia reikiä säteilystä, jota niiden ympärillä lämmitetty materiaali vapauttaa, kuten radiosäteistä tai röntgensäteistä. Materiaalin nopeus antaa myös tärkeitä vihjeitä sen mustan aukon ominaisuuksille, josta se yrittää paeta.
Hawking-säteily
Viimeinen tapa, jolla tähtitieteilijät voivat mahdollisesti havaita mustan aukon, on mekanismin kautta Hawking-säteily. Nimetty kuuluisalle teoreettiselle fyysikolle ja kosmologille Stephen Hawking, Hawking-säteily on seurausta termodynamiikasta, joka vaatii energian poistumista mustasta aukosta.
Perusajatuksena on, että luonnollisten vuorovaikutusten ja tyhjiön heilahtelujen takia aine syntyy elektronin ja antielektronin (nimeltään positronin) muodossa. Kun tämä tapahtuu lähellä tapahtumahorisonttia, yksi hiukkanen työntyy pois mustasta reiästä, kun taas toinen putoaa painovoimakaivoon.
Tarkkailijalle kaikki, mitä "nähdään", on hiukkas, joka pääsee mustasta aukosta. Hiukkasella nähdään olevan positiivista energiaa. Tämä tarkoittaa symmetrisesti, että mustassa aukossa pudotetulla hiukkasella olisi negatiivinen energia. Tuloksena on, että mustan aukon vanhetessa se menettää energiaa ja menettää siten massaa (Einsteinin kuuluisan yhtälön mukaan, E = MC2, missä E= Energia, M= massa ja C on valon nopeus).
Toimittanut ja päivittänyt Carolyn Collins Petersen.