Lähdekoodi sivulle Musta aukko

{{Tämä artikkeli|käsittelee tähtitiedettä. Samannimistä teatteria käsittelee artikkeli [[Musta aukko (teatteri)]] ja elokuvaa [[Musta aukko (elokuva)]].}}
[[Tiedosto:Black hole - Messier 87 crop max res.jpg|300px|thumb|[[Messier 87]] -galaksin musta aukko [[Event Horizon Telescope]]n kuvaamana. Kuva julkaistiin 10. huhtikuuta 2019 ja se on ensimmäinen taltioitu kuva mustasta aukosta. Kuva on [[radioaallot|radioaalloilla]] tehdyistä havainnoista jälkikäteen koostettu kuvannos, ei valokuva.<ref>{{Verkkoviite | Osoite = https://www.tiede.fi/artikkeli/artikkelit/ensimmainen-kuva-mustasta-aukosta-julkistettiin | Nimeke = Ensimmäinen kuva mustasta aukosta julkistettiin | Tekijä = | Ajankohta = 10.4.2019 | Julkaisu = Tiede.fi | Viitattu = 10.4.2019 }}</ref>|alt=]]
'''Musta aukko''' on äärimmäisen tiheä [[aika-avaruus|aika-avaruuden]] [[massa]]keskittymä. Siinä [[painovoima]] on niin voimakas, ettei yksikään [[hiukkanen]] tai edes [[sähkömagneettinen säteily]] pysty pakenemaan alueelta. Mustaa aukkoa ympäröivää rajaa, jonka takaa pakeneminen on mahdotonta, kutsutaan [[tapahtumahorisontti|tapahtumahorisontiksi]]. Nykykäsityksen mukaan mustan aukon sisustaa ja sen tapahtumia voi tutkia vain gravitaatioaaltojen avulla, sillä mikään massallinen hiukkanen tai sähkömagneettinen informaatio ei pysty pakenemaan sieltä.<ref name=NASA/> 

[[Tähti]]en massaiset mustat aukot syntyvät massiivisten tähtien luhistuessa elinkaarensa loppuvaiheessa. Synnyttyään aukot voivat kasvaa kuluttamalla ympäristössään olevaa massaa, kuten toisia tähtiä, ja yhdistymällä toisten mustien aukkojen kanssa. Lopulta niistä voi muodostua miljoonien [[Aurinko|aurinkojen]] [[auringon massa|massaisia]] niin sanottuja [[supermassiivinen musta aukko|supermassiivisia mustia aukkoja]], joita uskotaan olevan useimpien [[galaksi]]en, myös [[Linnunrata|Linnunradan]], [[Linnunradan keskus|keskuksissa]].<ref name=NASA/>

Englantilainen geologi [[John Michell]] pohti vuonna 1784 ajatusta mustien aukkojen kaltaisista kappaleista. Häneltä luultavasti sai vaikutteita [[Pierre-Simon Laplace]], joka teoksessaan ''Exposition du système du Monde'' (1796, 'Maailmanjärjestelmän esitys') esitti maininnan ”taivaankappaleesta, jonka vetovoima voisi olla niin suuri, että valo ei voi virrata siitä ulos”. Ensimmäisenä termiä ”musta aukko” käytti fyysikko [[John Wheeler]] vuonna 1967.<ref name=NASA/> Mustien aukkojen teoriaa huomattavasti kehittäneen professori [[Stephen Hawking]]in mukaan musta aukko on eräänlainen reikä aika-avaruudessa.{{Lähde}}

== Rakenne ==
{{Tähdet}}
Mustan aukon keskuksen ajatellaan olevan gravitaationaalinen [[singulariteetti]], pistemäinen kohde, jonka [[tilavuus]] on lähellä nollaa. Singulariteettiin on keskittynyt kaikki mustan aukon massa, atomin, tähden tai jopa miljoonien tähtien massa. Tämän seurauksena sen äärimmäisen suuri [[tiheys]] synnyttää mustan aukon äärimmäisen vetovoiman.<ref name=unionedu/>

Mustan aukon rajapintaa, jonka takaa mikään hiukkanen tai sähkömagneettinen aalto ei voi enää paeta, kutsutaan [[tapahtumahorisontti|tapahtumahorisontiksi]].<ref name=unionedu/> Tapahtumahorisontin sisäpuolella [[pakonopeus]] ylittää [[valonnopeus|valonnopeuden]].{{Lähde}}

Tapahtumahorisontti on alun perin valon pakonopeuden mukaan määräytynyt laskennallinen rajapinta, josta lähtevä fotoni voisi siis vielä paeta mutta sen sisäpuolelta lähtevä fotoni tulisi mahdollisen tilapäisen ulkopuolella käynnin jälkeen palaamaan takaisin. Tapahtumahorisontille on myöhemmin käytetty tätä jyrkempää tulkintaa, jonka mukaan mikään informaatio ei voisi päästä sen ulkopuolelle. Tämä tulkinta on aiheuttanut ristiriitaisuuksia, joista pääsemiseksi Hawking on ehdottanut [[Näennäishorisontti|näennäishorisontin]] käyttöä. Näennäishorisontti on rajapinta jonka rajaamassa alueessa valo ei voi kulkea lainkaan ulospäin. Mustan aukon tapahtumahorisontti ei syntyhistoriastaan huolimatta ole varsinainen tapahtumahorisontti koska se ei estä sisällä olevan massan määrän tai sen kiihtyvän liikkeen ilmaisevan informaation, [[gravitaatioaalto]]jen, leviämistä ulkopuolelle. 

Pyörivälle mustalle aukolle määritellään myös [[ellipsi]]n muotoinen stationaarisuusraja. Sen rajan sisäpuolella mikään kappale ei voi pysyä levossa, vaan musta aukko tempaisee kaiken sinne joutuvan vastustamattomaan pyörimisliikkeeseen. Stationaarisuusrajan ja tapahtumahorisontin välistä aluetta kutsutaan ergosfääriksi. Osa ergosfääriin joutuvasta aineesta sinkoutuu ulos mustan aukon vaikutuspiiristä.{{Lähde}}

Havaituilla mustilla aukoilla on yleensä ympärillään aineesta koostuva kertymäkiekko, joka kiertää aukkoa. Kun kertymäkiekon aine menettää liike-energiaa, se menettää ainetta mustaan aukkoon.<ref name=":0">{{Verkkoviite | nimeke = Mustien aukkojen koolle löytyi yläraja|osoite = http://www.avaruus.fi/uutiset/tahdet-sumut-ja-galaksit/mustien-aukkojen-koolle-loytyi-ylaraja.html | julkaisu = www.avaruus.fi | viitattu = 14.12.2015 }}</ref>

Mustista aukoista on olemassa neljä mallia:{{Lähde}}

*[[Karl Schwarzschild|Schwarzschildin]] aukko: pyörimätön musta aukko, jolla on vain singulariteetti ja tapahtumahorisontti
*Kerrin aukko: pyörivä musta aukko, jolla on edellisten lisäksi myös [[ergosfääri]]
*Reissner-Nordströmin aukko: sähkövarauksellinen musta aukko, jolla on kaksi sisäkkäistä tapahtumahorisonttia, joiden välissä aika- ja avaruuskoordinaatit vaihtavat paikkaa
*Kerr-Newmanin aukko: pyörivä ja sähkövarauksellinen aukko.

Teoreettinen astrofysiikka tuntee myös käsitteen [[alaston singulariteetti]]. Sellainen syntyy, mikäli aukon pyörimisnopeus ylittää [[Schwarzschildin säde|Schwarzschildin säteen]] kohdalla valon nopeuden. Tällöin tapahtumahorisontti repeytyy ja paljastaa sisällä olevan singulariteetin. Niin sanotun kosmisen sensuurin [[konjektuuri]] kieltää näiden olemassaolon.{{Lähde}}

Teoreettisessa [[astrofysiikka|astrofysiikassa]] tunnetaan myös [[valkoinen aukko]], mutta niiden olemassaolosta ei ole edes epäsuoraa havaintoa. Valkoinen aukko on nimensä mukaisesti mustan aukon vastakohta, joka sylkee ulos valoa ja ainetta, joka voi olla lähtöisin jostakin toisesta maailmankaikkeudesta. Valkoisen aukon sisältämä ratkaisu on kuitenkin epäfysikaalinen, koska se ei voi syntyä tähden romahtaessa ja sillä on äärettömän pitkä historia.{{Lähde}}

=== Muita rakennemalleja ===
Yllä esitetty kuvaus noudattaa standardikosmologian klassista 1900-luvun puolessavälin muotoutunutta suhteellisuusteoriaan perustuvaa mustan aukon rakenneoletusta, jonka tunnusomaiset osat ovat keskussingulariteetti ja tapahtumahorisontti. Tämän klassisen mallin on todettu johtaneen toistaiseksi ratkaisemattomaan fysikaaliseen ristiriitaan, informaatioparadoksiin. Myös aukkoon putoamisnopeuden kasvu valonnopeuteen ja sen ylikin on nähty ongelmallisena. Mallin kehittämiseen ratkaisevasti osallistunut Hawking on myöntänyt tilanteen toteamalla klassista rakennemallia tarkoittaen että ”mustia aukkoja ei ole” ja ehdottanut tapahtumahorisontin korvaamista näennäishorisontilla, mutta ongelmien ratkaiseminen sen avulla ei ole tullut osoitetuksi.<ref>{{Lehtiviite | Tekijä = Hawking, Stephen W. | Otsikko = Information Preservation and Weather Forecasting for Black Holes | Julkaisu = arXiv:1709.01525v1 | Ajankohta = 22.1.2014 | Julkaisija = | www = https://arxiv.org/abs/1401.5761v1 | Kieli = {{en}} }}</ref>

Mustan aukon rakenteelle on laadittu useita vaihtoehtoisia rakennemalliehdotuksia:

* Suhteellisuusteoriaan perustuvia malleja kuten Exotic Compact Objects (ECOs), Eternally Collapsing Object (myös ECO) ja Magnetospheric Eternally Collapsing Object (MECO), ultracompact objects (UCOs), boson stars, wormholes, black stars, gravastars, superspinars, collapsed polymers. Nämä ovat kutakuinkin [[Schwarzschildin säde|Schwarzschildin säteen]] kokoisia kompakteja massiivisia objekteja. Malleissa ei yleensä ole singulariteettia, jolloin ne eivät sisällä valonnopeuteen tai sen ylittymiseen johtavia [[geodeesi|geodeeseja]], ja useissa ei ole tapahtumahorisonttia, jolloin niihin ei liity ongelmallista informaatioparadoksia. <ref name=":1">{{Lehtiviite | Tekijä = Cardoso, Vitor & Pani, Paolo | Otsikko = Tests for the existence of black holes through gravitational wave echoes | Julkaisu = Nature Astronomy | Ajankohta = 5.9.2017 | Vuosikerta = 1 | Numero = 9 | Sivut = 586–591 | Doi = 10.1038/s41550-017-0225-y | Issn = 2397-3366 | www = http://www.nature.com/articles/s41550-017-0225-y | Kieli = {{en}} }}</ref>

* Kvanttiteoreettista mustan aukon rakennemallia edustaa [[supersäieteoria]]an perustuva ”fuzzball”-malli, jossa aine ei puristu singulariteetiksi.<ref>{{Lehtiviite | Tekijä = Mathur, S.D. | Otsikko = The fuzzball proposal for black holes: an elementary review | Julkaisu = Fortschritte der Physik | Ajankohta = 2005-07-15 | Vuosikerta = 53 | Numero = 7-8 | Sivut = 793–827 | Doi = 10.1002/prop.200410203 | Issn = 0015-8208 | www = http://doi.wiley.com/10.1002/prop.200410203 | Kieli = {{en}} }}</ref> Myös tämä malli ratkaisisi klassisen rakennemallin informaatioparadoksin. Säieteorioita ei ole voitu todentaa kokeellisesti.

Vaikka nykyisten havaintojen on katsottu noudattaneen hyvin suhteellisuuteorian mukaisia mallinuksia, niiden tarkuus ei ole vielä kyennyt antamaan ratkaisevaa viitettä siitä mikä malleista kuvaisi mustaa aukkoa parhaiten. Kehittyvien havaintolaitteiden myötä saataneen lisätietoa mahdollisista rakennemalleista.<ref name=":1" />

== Syntymekanismi ==
Musta aukko syntyy raskaimmista tähdistä [[supernova]]räjähdyksessä. Kappale luhistuu mustaksi aukoksi, jos sen säde alittaa [[Schwarzschildin säde|Schwarzschildin säteenä]] tunnetun matkan. Tämän etäisyyden sisäpuolella [[aika-avaruus]] on niin vahvasti kaareutunut, että jokainen valonsäde pyrkii kohti keskustaa. Koska aukosta pakeneminen vaatisi valoa nopeamman liikkeen, kaikki materia Schwarzschildin säteen sisäpuolella luhistuu keskustaa kohti.{{Lähde}}

Schwarzschildin säde voidaan laskea kaavasta:
:<math>r_s = {2GM \over c^2} </math>,
jossa ''G'' on gravitaatiovakio (<math>6{,}67 \times 10^{-11}</math> Nm<sup>2</sup>/kg<sup>2</sup>), ''M'' on kohteen massa ja ''c'' on valonnopeus.<ref name ="Kosmos">{{Kirjaviite | Tekijä = Teerikorpi, Pekka ja Valtonen, Mauri | Nimeke = Kosmos - maailmamme muuttuva kuva | Vuosi = 1988 | Kappale =  | Sivu = 455 | Julkaisupaikka = Helsinki | Julkaisija = Tähtitieteellinen yhdistys Ursa | Tunniste = | Isbn = 951-9269-43-6| www = | www-teksti =  | Viitattu = }}</ref> Massaltaan [[Maa]]n kokoisen kappaleen Schwarzschildin säde on noin 9&nbsp;mm.

[[Galaksi]]en ytimissä on [[supermassiivinen musta aukko|supermassiivisia mustia aukkoja]], jotka eivät ole syntyneet tähtien luhistumisesta. Niiden syntytapa on vielä tuntematon, mutta kaksi selitystä ovat galaksin syntymisen yhteydessä tapahtunut materian kertyminen ja [[alkuräjähdys|alkuräjähdyksen]] yhteydessä syntyminen. Syntyteoriaksi on tarjottu myös näiden kahden yhdistelmää. Koska tapahtumahorisontin säde skaalautuu lineaarisesti massan mukana, mutta sen sisäinen tilavuus suhteessa säteen kolmanteen potenssiin, ei suurien aukkojen syntyminen vaadi yhtä eksoottisia olosuhteita.{{Lähde}}{{Selvennä|"eksoottisuus" kaipaa selventämistä}}

Kertymällä kasvavan mustan aukon tyypilliseksi maksimimassaksi on esitetty 50 miljardia Auringon massaa.<ref>{{Verkkoviite | osoite = http://arxiv.org/abs/1511.08502 | nimeke = How Big Can a Black Hole Grow? | julkaisu = arXiv | julkaisija = | viitattu = | tekijä = King, Andrew  | ajankohta = | Kieli = {{en}} }}</ref><ref name=":0" /> Massaraja tulee siitä, että tätä suuremmilla massoilla ei pysty syntymään vakaata kertymäkiekkoa.<ref name=":0" /> Tällöin aukkoon vain putoaa siihen suoraan osuva materia.<ref name=":0" /> Kookkain tunnettu musta aukko on 40 miljardin Auringon massainen.<ref name=":0" /> Tosin hiljaittain löydetyn [[kvasaari]]n TON 618 epäillään sisältävän jättiläismäisen 66 miljardin auringon massaisen mustan aukon.{{Lähde}}

Mustien aukkojen arvellaan pystyvän menettämään massaansa [[Hawkingin säteily]]nä.{{Lähde}}

== Havaitseminen ==
[[Tiedosto:BH LMC.png|thumb|300px|Simuloitu kuva mustasta aukosta [[Magellanin pilvi|Magellanin pilven]] edessä.]]
Mustien aukkojen suora havaitseminen on vaikeaa. Ne voi havaita vain sen vaikutuksen perusteella, joka niillä on ympäristöönsä. Esimerkiksi [[valo]]n taipuminen tai [[tähti|tähden]] kiertäminen ympäri pistettä, jossa ei näytä olevan mitään, antaa viitteen mustan aukon olemassaolosta. Mustilla aukoilla on ympärillään usein kertymäkiekko. Koska materian syöksyessä mustaan aukkoon syntyy voimakasta [[röntgensäteily]]ä, on voimakas röntgenlähde myös mahdollinen musta aukko.{{Lähde}} 

Jos musta aukko on [[kaksoistähti|kaksoistähden]] toisena komponenttina, sen olemassaolon voi päätellä toisen tähden liikkeestä. Tästä syystä ja lähettämänsä röntgensäteilyn vuoksi pidetään esimerkiksi [[Cygnus X-1|Cygnus X-1:tä]] todennäköisenä mustana aukkona.{{Lähde}}

Mustien aukkojen törmäyksiä voidaan havainnoida [[gravitaatiosäteily|gravitaatioaaltojen]] avulla. Havaintoja on saatu vuodesta 2016 alkaen eri puolille maapalloa rakennetuilla tunnistimilla.

Huhtikuussa 2019 tutkijat julkistivat ensimmäisen taltioidun kuvan avaruuden mustasta aukosta. [[Event Horizon Telescope]] -projektin kuva on koottu muutaman päivän aikana kerätystä tiedosta, joita on havaittu kahdeksalla eri puolilla maapalloa sijaitsevalla [[radioteleskooppi|radioteleskoopilla]]. Musta aukko sijaitsee 50 miljoonan valovuoden päässä Maasta galaksissa [[M87]]. Tutkijoiden mukaan mustan aukon pohjan reuna näyttää kirkkaammalta, sillä musta aukko tai sen läheisyydessä oleva materia kiertää sitä. Aiemmat kuvat mustista aukoista ovat olleet simulaatioita tai taiteilijoiden näkemyksiä.<ref>{{Verkkoviite | osoite = https://www.mtvuutiset.fi/artikkeli/tassa-se-on-historiallinen-kuva-mustasta-aukosta-julki/7360064 | nimeke = Tässä se on! Historiallinen kuva mustasta aukosta julki | tekijä = Heikkilä, Jari | julkaisu = MTV uutiset | ajankohta = 10.4.2019 | julkaisija = | viitattu = }}</ref>

== Lähteet ==
* {{Kirjaviite | Tekijä = Hawking, Stephen W. | Nimeke = Ajan lyhyt historia | Tarkistettu ja täydennetty, kuvitettu laitos | Suomentaja = Risto Varteva | Julkaisija = WSOY |Julkaisupaikka = Helsinki | Vuosi = 2000 | Isbn = 951-0-19440-9}}

=== Viitteet ===
{{Viitteet | viitteet =
<ref name=NASA>{{Verkkoviite| osoite = http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes/ | nimike = Black Holes | julkaisija = NASA | ajankohta = 21.1.2015 | viitattu = 4.2.2015 | kieli = {{en}} }}</ref>
<ref name=unionedu>{{Verkkoviite | osoite = http://minerva.union.edu/vianil/web_stuff2/Structure_of_Black_Holes.htm | nimike = The Structure of Black Holes | julkaisija = http://minerva.union.edu | viitattu = 4.2.2015 | kieli = {{en}} | nimeke = Arkistoitu kopio | arkisto = https://web.archive.org/web/20150201224804/http://minerva.union.edu/vianil/web_stuff2/Structure_of_Black_Holes.htm | arkistoitu = 1.2.2015 }}</ref>
}}

== Kirjallisuutta ==
*{{Kirjaviite | Tekijä=Enqvist, Kari | Nimeke=[[Suhteellisuusteoriaa runoilijoille]] | Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija=WSOY | Vuosi=2005 | Tunniste = | Isbn = 951-0-30082-9}}  
*{{Kirjaviite | Tekijä=Greene, Brian | Nimeke=Kosmoksen rakenne: Avaruus, aika ja todellisuus | Suomentaja= Kimmo Pietiläinen | Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija=Terra Cognita | Vuosi=2005 | Isbn = 952-5202-83-6}}  
*{{Kirjaviite | Tekijä=Hawking, Stephen W.| Vuosi=2003| Nimeke=[[Maailmankaikkeus pähkinänkuoressa]]| Suomentaja=Risto Varteva | Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija=WSOY| Isbn = 951-0-28400-9}}
*{{Kirjaviite | Tekijä=Maalampi, Jukka (toim.) | Nimeke=Minne menet, maailmankaikkeus?: Kirjoituksia kosmoksesta | Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija=Fysiikan kustannus | Vuosi=2001 | Isbn = 951-97790-0-0 }}
*{{Kirjaviite | Tekijä=Smolin, Lee | Nimeke=Kvanttipainovoima | Suomentaja= Risto Varteva | Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija=WSOY | Vuosi=2002 | Isbn = 951-0-26895-X}} Tieteen huiput
*{{Kirjaviite | Tekijä=Tähtinen, Leena | Nimeke=[[Kuolleiden kanssa kassajonossa|Kuolleiden kanssa kassajonossa: Tieteellistä aikamatkailua]] | Julkaisupaikka=Helsinki | Julkaisija=WSOY | Vuosi=2001 | Isbn = 951-0-24866-5}}

== Aiheesta muualla ==
{{Commonscat-rivi|Black holes|mustat aukot}}
{{Wikiuutiset-rivi|Ensimmäinen kuva mustasta aukosta julkistettiin}}
*Yle: [http://yle.fi/uutiset/stephen_hawking_murtaa_mustien_aukkojen_tapahtumahorisontin/7052136?fb_action_ids=3910520659126&fb_action_types=og.recommends Stephen Hawking murtaa mustien aukkojen tapahtumahorisontin] 25.1.2014
*Kirkkonummen Komeetta: [http://www.ursa.fi/yhd/komeetta/esitelma/EskoKVakkuri.htm Esitelmä mustista aukoista 15.12.2009]
*Kirkkonummen Komeetta: [http://www.ursa.fi/yhd/komeetta/esitelma/Keski-Vakkuri.htm Esitelmä mustista aukoista 11.10.2005]
*{{SEP | Id=spacetime-singularities | Tekijä=Curiel, Erik & Bokulich, Peter | Nimeke=Singularities and Black Holes}}
*[http://www.scholarpedia.org/article/Black_holes Scholarpedia: Black holes] {{en}}
* [https://www.youtube.com/watch?v=crXGmeWFb9o 360 Video: NASA Simulation Plunges Into a Black Hole] NASA:n simulaatio kuvaa putoamista mustaan aukkoon.

{{Metatieto}}

[[Luokka:Mustat aukot|*]]
[[Luokka:Seulonnan keskeiset artikkelit]]