Ovatko tiedemiehet todellakin löytäneet mustia aukkoja?

SE TUNTUU tieteiskuvitelmalta: tähdet, jotka kerran olivat kirkkaita, muuttuvat näkymättömiksi, luhistuvat oman painovoimansa vaikutuksesta, eikä niiden otteesta vapaudu mikään, ei edes valo. Monet tähtitieteilijät uskovat, että tällaiset mustat aukot saattavat olla yleisiä maailmankaikkeudessa. Haluaisitko tietää niistä enemmän? Kaikki alkoi kauniista pohjoisen tähtitaivaan tähdistöstä nimeltä Cygnus eli Joutsen.

Cygnus X-1 – musta aukko?

1960-luvulta lähtien eräs Joutsenen tähdistön alue on herättänyt mielenkiintoa tähtitieteilijöissä. Maan ilmakehän yläpuolelle laukaistut observatoriot ovat havainneet, että tältä alueelta, jolle on annettu nimeksi Cygnus X-1, tulee voimakasta röntgensäteilyä.

Tiedemiehet ovat olleet pitkään selvillä siitä, että mitä kuumempi kohde on, sitä enemmän se luovuttaa energiaa lyhyemmillä, runsasenergiaisemmilla sähkömagneettisilla aallonpituuksilla. Jos raudankappaletta kuumennetaan hyvin kuumassa uunissa, se hehkuu aluksi punaisena, ja kun rauta kuumenee entisestään, sen hehku muuttuu keltaiseksi ja valkoiseksi. Tässä mielessä tähdet ovat kuin rautatankoja. Suhteellisen viileät tähdet, joiden lämpötila on noin 3000 K, ovat punertavia, kun taas keltaisen tähden, esimerkiksi Auringon, pintalämpötila on lähempänä 6000:ta K.a Tähtien kaasu pitäisi kuitenkin kuumentaa miljooniin kelvineihin, jotta saataisiin aikaan sellaista röntgensäteilyä, jota tulee Cygnus X-1:stä. Yhdelläkään tähdellä ei ole sellaista pintalämpötilaa.

Tähtitieteilijät ovat havainneet, että Cygnus X-1:n lähellä on tähti, jonka pintalämpötila on arviolta 30000 K: hyvin kuuma muttei aivan riittävän kuuma selittääkseen kyseisen röntgensäteilyn. Tämä tähti, joka on luetteloitu nimellä HDE 226868, on noin 30 kertaa suurempi kuin Aurinko ja 6000 valovuoden päässä Maasta. Tällä ylijättiläisellä on seuralainen, ja nämä kaksi pyörähtävät 5,6 päivässä toistensa ympäri kuin tanssien taivaankappaleiden valssia. Tiedemiehet arvioivat, että seuralainen on vain muutaman miljoonan kilometrin päässä HDE 226868:sta. Joidenkin lähteiden mukaan seuralainen on Aurinkoa noin kymmenen kertaa suurempi. Tässä seuralaisessa on kuitenkin jotain hyvin outoa: se on näkymätön. Näin suuren normaalin tähden ei pitäisi olla näkymätön, kun se on tällä etäisyydellä Maasta. Näin massiivinen kohde, joka näyttää lähettävän röntgensäteitä mutta ei näkyvää valoa, on tiedemiesten mielestä hyvä ehdokas mustaksi aukoksi.

Matka mustaan aukkoon

Kuvittele, että voisit tehdä matkan Cygnus X-1:een. Jos se todella on musta aukko, se voisi hyvinkin näyttää samanlaiselta kuin sivun 17 kuvassa. Iso tähti on HDE 226868. Tämän tähden läpimitta on miljoonia kilometrejä, kun taas mustan aukon läpimitta saattaa olla noin 60 kilometriä. Pieni musta piste hehkuvan kaasupyörteen keskellä on mustan aukon tapahtumahorisontti eli pinta. Pinta ei ole kiinteä vaan muistuttaa pikemminkin varjoa. Se on sen alueen raja, jossa mustan aukon ympärillä oleva painovoima on niin suuri, ettei edes valo voi päästä karkuun. Monien tiedemiesten mielestä horisontin takana, mustan aukon keskustassa, on nollatilavuuden ja äärettömän tiheyden kohta, jota sanotaan singulariteetiksi. Kaikki mustassa aukossa oleva aine on kadonnut sinne.

Musta aukko imee puoleensa tähtiparinsa uloimpia kaasukerroksia. Tähdestä tulevasta kaasusta muodostuu hehkuva kiekko, kun kaasu kiertää yhä nopeammin ja kuumenee kitkan vaikutuksesta mustan aukon ympärillä. Tämä ylikuumentuneesta kaasusta muodostuva kiekko synnyttää röntgensäteilyä aivan mustan aukon ulkopuolella, kun kaasun nopeus kasvaa painovoiman vaikutuksesta suunnattoman suureksi. Kun kaasu putoaa mustaan aukkoon, ei röntgensäteitä – eikä mitään muutakaan – pääse tietenkään enää karkuun.

Cygnus X-1 on vaikuttava näky, mutta älä mene liian lähelle sitä! Jos on sen röntgensäteilyllä tuhoisa vaikutus, niin on sen painovoimallakin. Kun seisot Maan päällä, päähäsi ja jalkoihisi kohdistuvan painovoiman suuruudessa on aavistuksen verran eroa. Tämä ero saa aikaan hienoista vetoa, jota ei voi tuntea. Cygnus X-1:n luona tämä pieni ero kasvaa 150 miljardia kertaa suuremmaksi ja synnyttää siten voiman, joka venyttäisi ruumistasi, ikään kuin näkymättömät kädet vetäisivät jalkojasi yhteen suuntaan ja päätäsi toiseen suuntaan.

Onko Cygnus A supermassiivinen musta aukko?

Joutsenen tähdistössä on toinenkin arvoituksellinen alue. Näköhavaintojen perusteella tämä alue on vain himmeänä täplänä näkyvä etäinen galaksi, mutta se lähettää taivaan voimakkaimpiin kuuluvia radioaaltoja. Sen nimi on Cygnus A, ja se on askarruttanut tiedemiehiä aina siitä lähtien, kun se löydettiin yli 50 vuotta sitten.

Cygnus A:han liittyvät mittasuhteet ovat häkellyttäviä. Cygnus X-1 on meidän omassa galaksissamme, muutaman tuhannen valovuoden päässä, kun taas Cygnus A:n ajatellaan olevan satojen miljoonien valovuosien päässä. Cygnus X-1 ja sen näkyvä seuralainen ovat vain noin yhden valominuutin päässä toisistaan, mutta Cygnus A:n kahden radioaaltosuihkun muodostamat patsaat ovat satojen tuhansien valovuosien päässä toisistaan.b Jonkin on ilmeisesti täytynyt singota näitä voimakkaita energiasuihkuja vastakkaisiin suuntiin Cygnus A:n keskustasta satojatuhansia tai jopa miljoonia vuosia kuin eräänlainen kosminen sädease. Yksityiskohtaiset radiokartat Cygnus A:n keskustasta paljastavat, että tämä sädease on hyvin pieni suihkuihin verrattuna, alle valokuukauden mittainen. Jos se olisi vaappunut koko tuon ajan, säteet olisivat kiemuraisia. Mutta nämä arvoitukselliset suihkut ovat täysin suoria, ikään kuin suunnaton gyroskooppi olisi pitänyt niitä ampuvan sädeaseen vakaana.

Mistä on kyse? Professori Kip S. Thorne kirjoittaa: ”Niistä lukuisista ideoista, joita oli tarjottu selitykseksi keskusmoottorille 1980-luvun alkupuolella, vain yhteen sisältyi ylivertainen gyroskooppi, joka oli pitkäikäinen ja alle valokuukauden mittainen ja joka kykeni saamaan aikaan voimakkaita suihkuja. Tämä ainutlaatuinen idea oli jättimäinen pyörivä musta aukko.”

Muita mahdollisia mustia aukkoja

Vuonna 1994 vastakorjattu Hubble-avaruusteleskooppi tarkasteli huolellisesti ”läheistä” galaksia M87:ää, jonka arvioidaan olevan 50 miljoonan valovuoden päässä. Korjatun optiikkansa avulla Hubble havaitsi M87:n keskustassa kaasukiekon, joka pyöri jonkin kohteen ympärillä ällistyttävällä kahden miljoonan kilometrin tuntivauhdilla. Mikä voisi saada kaasun liikkumaan tällaisella nopeudella? Laskelmien mukaan pyörteen keskellä olevan kohteen massa on ainakin kaksi miljardia Auringon massaa. Tämä kohde on kuitenkin pakkautuneena aurinkokuntamme kokoiseen ”pikkuriikkiseen” tilaan. Tiedemiehet eivät voi kuvitella, että tähän kuvaukseen voisi sopia mikään muu kuin supermassiivinen musta aukko.

Musta aukko -ehdokkaita on nyt havaittu useiden lähigalaksien keskustoista, muun muassa ”lähinaapurissamme” Andromedan galaksissa, joka on vain noin kahden miljoonan valovuoden päässä. Mutta jättimäinen musta aukko saattaa olla vieläkin lähempänä meitä kuin Andromedassa! Viimeaikaiset havainnot viittaavat siihen, että jättikokoinen musta aukko voi hyvinkin olla oman Linnunrata-galaksimme keskustassa. Jokin pienellä alueella oleva, jonka massa on arviolta 2,4 miljoonaa Auringon massaa, saa lähellä galaksimme keskustaa olevat tähdet kiertämään sitä suunnattomalla nopeudella. Fyysikko Thorne sanoo: ”1980-luvulla vähitellen kerääntynyt todistusaineisto viittaa siihen, että tällaisia aukkoja ei ole ainoastaan kvasaarien ja radiogalaksien ytimissä vaan myös useimpien suurten, tavallisten galaksien (jotka eivät ole radiogalakseja), esimerkiksi Linnunradan ja Andromedan, ytimissä.”

Ovatko tiedemiehet todella löytäneet mustia aukkoja? Mahdollisesti. He ovat joka tapauksessa löytäneet Joutsenen tähdistöstä ja muualta joitakin hyvin erikoisia kohteita, jotka on helpoimmin selitettävissä mustiksi aukoiksi. Uusi tieteellinen aineisto voi kuitenkin myös kyseenalaistaa yleisesti hyväksytyt teoriat.

Yli 3500 vuotta sitten Jumala kysyi Jobilta: ”Tunnetko taivaita koskevat säädökset.” (Job 38:33.) Vaikuttavasta tieteellisestä edistyksestä huolimatta tämä kysymys on edelleen ajankohtainen. Onhan niin, että juuri kun ihminen luulee alkavansa ymmärtää maailmankaikkeutta, jokin uusi, odottamaton havainto romuttaa hänen huolellisesti rakentamansa teoriat. Sillä välin me voimme katsella ihmeissämme tähdistöjä ja nauttia niiden kauneudesta!

[Alaviitteet]

[Tekstiruutu s. 16, 17]

Mikä saisi aikaan mustan aukon?

NYKYISEN tieteellisen käsityksen mukaan tähdet loistavat, koska painovoiman ja ydinvoimien välillä on alituinen taistelu. Jos painovoima ei purista kaasua tähden sisuksissa, fuusioreaktiota ei voi tapahtua. Toisaalta jos fuusioreaktio ei ole vastustamassa painovoiman vaikutusta, tähdelle voi tapahtua jotain hyvin erikoista.

Tiedemiehet ajattelevat, että kun suurin piirtein Auringon kokoiset tähdet kuluttavat loppuun ydinpolttoaineinaan käyttämänsä vedyn ja heliumin, painovoima puristaa ne noin maapallon kokoisiksi kuumiksi kappaleiksi, joita sanotaan valkoisiksi kääpiöiksi. Valkoisella kääpiöllä voi olla yhtä paljon massaa kuin Auringolla, mutta sen massa on tiivistynyt miljoonia kertoja pienempään tilaan.

Voidaan ajatella, että tavallinen aine on suurimmaksi osaksi tyhjää, sillä jokaisessa atomissa lähes kaikki massa sijaitsee pikkuriikkisessä ytimessä, jota ympäröi paljon suurempi elektroneista muodostuva pilvi. Valkoisen kääpiön sisällä painovoima puristaa elektronipilven murto-osaan aiemmasta tilavuudestaan, mikä kutistaa tähden planeetan kokoiseksi. Tässä vaiheessa suurin piirtein Auringon kokoisissa tähdissä painovoiman ja elektronikaasun paineen välille syntyy tasapaino, mikä estää tähteä tiivistymästä enempää.

Entä Aurinkoa raskaammat tähdet, joiden painovoima on suurempi? Massaltaan Aurinkoa yli 1,4 kertaa suurempien tähtien painovoima on niin vahva, että elektronipilvi katoaa painovoiman puristuksessa. Protonit ja elektronit yhdistyvät neutroneiksi. Neutronit estävät tähteä tiivistymästä enempää, mikäli painovoima ei ole liian vahva. Tuloksena ei ole planeetan kokoinen valkoinen kääpiö vaan pienen asteroidin kokoinen neutronitähti. Neutronitähdet muodostuvat maailmankaikkeuden tiheimmästä tunnetusta aineesta.

Entä jos painovoima kasvaa vieläkin suuremmaksi? Tiedemiehet uskovat, että noin kolmen Auringon massaisessa tähdessä neutronit eivät pysty vastustamaan painovoiman vaikutusta. Mikään tiedemiesten tuntema aineen muoto ei voi vastustaa kaiken tämän painovoiman kasvavaa vaikutusta. Vaikuttaa siltä, että asteroidin kokoinen neutronipallo tiivistyisi ei vain pienemmäksi palloksi, vaan olemattomiin, tilaan jota sanotaan singulariteetiksi, tai joksikin muuksi teoreettiseksi kokonaisuudeksi, jota ei tällä hetkellä kyetä kuvailemaan. Nähtävästi tähti katoaisi ja jättäisi jälkeensä vain painovoimansa ja mustan aukon entiselle paikalleen. Musta aukko muodostaisi entisen tähden paikalle painovoimavarjon. Se olisi alue, jossa painovoima olisi niin vahva, ettei mikään – ei edes valo – voisi päästä karkuun.

[Kuvat s. 16]

Joutsenen tähdistössä on muun muassa Pohjois-Amerikka-sumu (1) ja Harsosumu (2). Cygnus X-1 (3) sijaitsee joutsenen kaulan puolivälissä

Joutsen

[Lähdemerkinnät]

Tony ja Daphne Hallas/Astro

Tony ja Daphne Hallas/Astro

[Kuvat s. 17]

Cygnus X-1 teoriassa

Mustat aukot havaitaan sen perusteella, miten ne vaikuttavat muihin taivaankappaleisiin. Tässä kuvassa musta aukko imee tähdestä kaasuja sisäänsä

Taiteilijan näkemys mustasta aukosta (punainen suorakulmio), ja suurennos (alla)

[Kuvan lähdemerkintä s. 14]

Einstein: U.S. National Archives