Mustade aukude mõistatused
Ülo Vaher
10.07.2008

40 aastat tagasi tõi J. Wheeler teadusesse mõiste „must auk”, mis on äratanud peale teadlaste ka laiema üldsuse tähelepanu. Neid mõistatuslikke kosmilisi nähtusi on seostatud ka võimalusega sooritada kosmosereise teistesse aegadesse või maailmadesse, seda eeskätt ulmes. Tänu arvutus- ja kosmosetehnika tormilisele arengule viimastel aastakümnetel on teadlastel õnnestunud nende kohta koguda arvukalt uusi andmeid.

Kui ilma sünnib inimlaps, siis peamiseks füüsikaliseks faktoriks, mida ta oma kogemustega peab tundma õppima, on valguse ja soojuse kõrval raskus ja sellega seotud kukkumine. Terve aasta kulub lapsel isegi enne, kui ta käima õpib. Kuid ka teadlastele on raskuse mõistmine valmistanud läbi aegade suuri raskusi. Miks peaks küll kõigil asjadel peale nende materjali, suuruse, kuju jt omaduste olema lisaks veel ka raskus? Ja miks peaks nad armastada kukkuda? See küsimus jäi aastatuhandeid mõistliku vastuseta kuni uue aja alguseni, mil tekkis ka kaasaja mõistes tõsine teadus ja asju hakati uurima ka eksperimentaalselt.
Sageli tänapäeva teaduse isaks nimetatav Galilei asus ka uurima kehade kukkumist (vaba langemist) ja avastas lausa uskumatuna tundunud tõsiasja – kõik kehad kukuvad ühtemoodi nende raskusest sõltumata (kui elimineerida õhutakistuse mõju). Siiani oli ju valitsenud Aristoteleselt pärandatud arvamus, et rasked kehad kukuvad kiiremini kui kerged. Nüüd oli raskuse ja kukkumise seletamine muutunud veelgi raskemaks ja lahenduse leidmiseks oli tarvis teaduse ajaloo ühte suurimat geeniust I. Newtonit, kes seletas, et kõikide kehade vahel valitseb universaalne gravitatsioonijõud, mis on võrdeline kehade massiga ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga. See oli ülimalt lihtne ja elegantne teooria, mis suurepäraselt seletas ära kõik liikumised nii maa peal kui ka taevas.
Selle teooria triumf oli enneolematu, kuid ometi oli tal küljes ka sügav vaimne/ideoloogiline puue, nimelt eeldas ta, et gravitatsioon mõjub ilma vahendajateta lõpmatu kiirusega lõpmatult kaugele, mis on füüsika jaoks nonsenss. See tekitas kõige rohkem peavalu ka Newtonile endale. Probleemi lahendas alles teine suurim geenius – A. Einstein, kes tegi seda üldrelatiivsusteooria näol veelgi elegantsemalt ja revolutsioonilisemalt, öeldes, et mingit gravitatsiooni põhjustavat jõudu polegi olemas, kehad (ja ka valgus) liiguvad ruumis lihtsalt nende jaoks mööda optimaalseid teid, mille määrab ära ruumi kõverus, selle aga määrab jällegi omakorda ruumis olev ja liikuv mateeria. Seni oli teaduses valitsenud njuutonlik ettekujutus absoluutsest ruumist ja ajast, mis olid sõltumatud nii mateeriast kui ka teineteisest. Nüüd asendus see Einsteini teooria poolt loodud maailmapildiga, mille järgi erinevates kohtades asuvatel ning erineva kiirusega liikuvatel vaatlejatel on oma enda aeg ning nad näevad maailmas toimuvat liikumist erinevalt, kusjuures neil on samas kõigil võrdselt õigus. Üldrelatiivsusteoorias on oluline ka postulaat, et ruum ja aeg on omavahel seotud ühtseks neljamõõtmeliseks aegruumiks.

Mida tähendab kõver ruum?
Kolmemõõtmelise ruumi puhul on seda raske ette kujutada, kuid kahemõõtmelise ruumi korral, milleks on igasugune pind (sellel on igal punktil vaid kaks sõltumatut koordinaati), võib seda illustreerida järgmise näitega. Siledaks, s.o kõveruseta pinnaks on pingul batuudivõrk. Asetame selle servale palli ning seejärel astume võrgu keskele (suur mass). Nüüd vajub võrk selle massi mõjul keskelt lohku (pind kõverdub massi ümbruses) ja seni batuudil paigal seisnud pall hakkab mööda tekkinud kaldpinda veerema lohus seisja (massi) poole – seda üksnes ruumi (antud näites kahemõõtmelise pinna) kõveruse tõttu, ilma et palli tõugataks või talle mingit jõudu rakendataks.
Musta augu teket ja olemust ei ole lihtne selgitada, sest see vajab üldrelatiivsusteooria ja ruumi kõveruse põhjalikku tundmist, Einsteini vastav teooria on aga kirja pandud ülimalt raskesti lahendatavate võrrandite süsteemi näol. Esimesena „avastas” mustad augud K. Schwarzschild just nende võrrandite lahendamise teel paberil juba 1916. aastal, kuid tänapäeval üldtuntud nime andis neile J. Wheeler alles pool sajandit hiljem. Lihtsuse tõttu kasutame ka meie edaspidi ikkagi meile juba tavakogemustest ja koolifüüsikast tuttavamat gravitatsiooni mõistet. Must auk tekib ülisuure gravitatsiooni mõjul punktiks (nn singulaarsuseks) koondunud ehk kollapseerunud kehast, millest ei pääse välja enam ükski aineosake ega ka valgus või muu kiirgus, mistõttu jääb ta väljastpoolt nähtamatuks ehk mustaks. Samuti neelab ta tema lähedale sattuva aine ja kiirguse endasse nagu auku. Singulaarsust ümbritsevat kerapinda Schwarzschildi raadiusega rs nimetatakse sündmuste horisondiks (eesti keeles ka lõkspinnaks), millest väljapoole jääva vaatleja jaoks kõik sellest tinglikust kerapinnast sissepoole jäävad sündmused lõpevad ning neid enam jälgida ei saa. Lõkspinna raadius on võrdeline musta augu massiga ja mõnikord käsitletakse lõkspinda ka musta augu välispinnana, kuigi reaalselt seal mingit pinda ei eksisteeri, see on puhtalt mõtteline (nagu näiteks maakera ekvaator või telg). Üldrelatiivsusteooria ei sea mingeid (ei alumisi ega ülemisi) piire mustade aukude suurusele ehk massile. Must auk võib tekkida igast kehast, kui vaid õnnestuks suruda teda kokku kerasse, mille raadius on väiksem selle keha Schwarzschildi raadiusest. Näiteks Päikese massiga (2 x 1030 kg) objekti jaoks oleks Schwarzschildi ehk temast tekkida võiva musta augu raadius 3 km, kuid Maa puhul kõigest 9 mm. Samas võib musta augu moodustumiseks vajalik algtihedus olla väga erinev, olles pöördvõrdeline tema massi ruuduga. Seepärast võiks must auk tekkida hiigelsuure massiga galaktikast isegi siis, kui tema tihedus kasvaks suuremaks näiteks vaid veest. Kui keha on õnnestunud kokku suruda väiksemasse ruumalasse, kui Schwarzschildi raadiusega kera, siis ta kollapseerub endise massiga, kuid lõpmatult suure tihedusega ja lõpmatult väikese raadiusega punktikujuliseks singulaarsuseks, mida ümbritseb ülimalt kõverdunud ja moondunud aegruum. Mis aga toimub selle singulaarse punkti sees, on jäänud esialgu lahendamata mõistatuseks.

Virtuaalne lend musta augu juurde

Einsteini teooriast ja aegruumi kõverdumisest tulenevad eriefektid avalduvad kõige eredamalt tugevates gravitatsiooniväljades, eriti drastiliselt aga mustade aukude läheduses, kus valgus ei levi enam sirgjooneliselt (sirgjoont kõveras ruumis õieti polegi), vaid selles ruumis kõige lühemat võimalikku teed pidi. Nende nähtuste kirjeldamiseks jälgime ühte kujuteldavat astronaudi lendu musta augu juurde, mille käigus ta informeerib meid oma lennust pro_ektoriga morsesignaalidega, nagu seda vanasti tehti laevadel. Mõne aja pärast me märkaksime, et signaalid, mis olid algul säravvalged, muutusid järjest kollasemaks, seejärel punasemaks ja edasi infrapunaseks, lõpuks aga nähtamatuteks raadiolaineteks, s.t nende lainepikkus muutub üha suuremaks, kuid sagedus vastavalt väiksemaks. Seda nähtust nimetatakse ka gravitatsiooniliseks punanihkeks. Samal ajal jõuavad morsesignaalid meieni üha harvemini, kuigi astronaut kasutab sama pro_ektorit ja saadab signaale sama sagedusega. Kui meil oleks ülivõimas teleskoop astronaudi lennu jälgimiseks, siis näeksime, et ta lendab üha aeglasemalt ja aeglasemalt… Kui ta lõpuks jõuab lõkspinnani, siis paistab meile, et ta on musta augu serval hoopis igaveseks peatunud ning tema morsesignaalid on lõppenud, sest lainepikkus on juba lõpmatult suur, teiste sõnadega – elektromagnetkiirgust temalt meieni enam ei tule. Seda nähtust nimetatakse ka aja dilatatsiooniks (väljavenimiseks). Mis puutub aga samas astronaudi enda aega, siis lippab see nüüd hoopis vastupidiselt, üha kiiremini ja kiiremini.
Tähelepanuväärne on veel ka lõkspinna läheduses toimiv gravitatsioonivälja gradient (muutus ruumis), mis võib seal põhjustada suuri nn loodejõudusid. Nende jõudude tulemusena oleks Päikese massiga musta augu lõkspinnal selleni jõudnud astronaudi jalgade ja pea vaheline (ca 2 m) raskusjõu tugevus (kui ta lendaks augu suunas, ütleme, jalad ees) üle miljardi korra erinev, mis rebiks vältimatult puruks mitte ainult astronaudi, vaid ka kõik kosmoselaevas olevad esemed. Nii kujuteldamatult suured võivad lõkspinna läheduses olla gravitatsioonijõudude erinevused tühiste vahemaade taha…
Ületanud aga lõkspinna, vahetavad sellest seespool aeg ja ruum oma kohad. Nüüd kulgeb astronaudi aeg aeglaselt (venib välja), kuid ruum ja kaugused tõmbuvad kokku.
Teine musta augu lõkspinna lähedalt väljuva valgusega (ja ka muu elektromagnetkiirgusega) seotud silmatorkav nähtus on see, et kõik kiired, mis ei välju vertikaalsuunas, kõverduvad ja kalduvad oma teekonnal kõrvale. Kui neid väljastav allikas asub mustast august 1,5 rs kaugusel, siis horisontaalsuunas kiiratud valgus hakkab liikuma mööda ringjoont ümber musta augu. Seepärast, seistes musta augu lähedal, võiks põhimõtteliselt näha isegi oma kukalt, kõrvadest rääkimata. Mustast august sellisel kaugusel (1,5 rs) asuvat kerapinda nimetatakse ka footonsfääriks. Footonsfäärist seespool horisontaalsuunas väljunud kiired suubuvad musta auku, lõkspinnast väljapoole, nagu juba öeldud, ei pääse enam miski.

Mustad augud on tähtede „hauakoopad”
Kuigi üldrelatiivsusteooria võrrandite uurimine ja lahendamine näitab kätte mitmesuguseid võimalusi mustade aukude tekkeks, on siiski vast veelgi huvitavam teada, kas need võimalused universumis ka realiseeruvad. Viimastel aastakümnetel on uurijate peatähelepanu pööratud just selle väljaselgitamisele. Tänapäeval on kõik astrofüüsikud veendunud, et kui tähe mass on piisavalt suur, umbes 10 Päikese massi, siis tema elutee lõpeb musta auguna (sellest väiksemad lõpetavad neutrontähena ning veelgi väiksemad valgete kääbustena).
Tähed kiirgavad teatavasti valgust ja soojust nende keskmes toimuvate termotuumareaktsioonide käigus vabaneva energia arvel. Seejuures tasakaalustab tähe tuumas vabaneva kiirguse rõhk tähte kokku suruda püüdva gravitatsioonjõu. Kui ükskord tähes kõik tema tuumakütuse varud on ammendatud, plahvatab täht supernoovana, heidab endast välimised kihid ja tema südamik kollapseerub suure massi tohutu raskusjõu toimel mustaks auguks. Nii tekivad stellaarsed mustad augud. Nende mass on vahemikus 3–30 Päikese massi. Nad on nagu tähtede hauakoopad või tuhaurnid ja neid on tõenäoliselt igas galaktikas miljoneid. Nende loendamine teleskoopide abil on seotud suurte raskustega, kuna nad ju ei kiirga ja on seepärast teleskoopidele nähtamatud. Kuid nende olemasolu võib kindlaks teha kaudsete meetoditega, peamiselt nende toime järgi oma ümbrusele (umbes nagu nähtamatule mehele pühendatud filmides, kus me näeme vaid tema poolt liigutatavaid esemeid). Selleks pakuvad head võimalust juhud, kui must auk on tekkinud kaksiktähe süsteemis, kus nad tiirlevad ümber oma ühise raskuskeskme. Siis on võimalik nähtava kaaslastähe massi ja liikumistrajektoori alusel välja arvutada tema nähtamatu kaaslase mass ja ka ligikaudsed mõõtmed. Kui selle raadius osutub väiksemaks Schwatzschildi raadiusest, siis ongi tegu musta auguga.

Musti auke on mitut sorti ja erineva suurusega
Lisaks eespool kirjeldatud nn Schwatzschildi tüüpi mustadele aukudele on võimalikud ka märksa keerulisemad nn Kerri mustad augud, mis tekivad pöörlevatest kehadest, ja veelgi keerulisemad on Kerri–Newmani tüüpi mustad augud, mis omavad nii pöördimpulssi kui ka elektrilaengut. Nende omaduste lähem kirjeldamine ilma üldrelatiivsusteooria võrranditeta oleks pea võimatu.
Mustad augud on ka suured õgardid – kui nende lähedusse satub teisi tähti, siis võivad nad viimastest tänu gravitatsioonile endasse neelata nende ainet, samuti gaasi, tolmu ja isegi teisi musti auke, ning süüa end niiviisi „paksuks”. Selliselt on tihedates kerasparvedes tekkinud mustad augud, mille mass ületab Päikese oma tuhandeid kordi. Astrofüüsikud nimetavad seda tüüpi musti auke aga tagasihoidlikult lihtsalt keskmise suurusega mustadeks aukudeks, sest termin supermassiivne must auk kuulub galaktikate tuumades asuvatele mustadele aukudele, mille mass ületab Päikse oma juba miljoneid või isegi miljardeid kordi. Nende tohutu gravitatsioonväli imeb läheduses olevatelt tähtedelt nende ainet ning moodustab sellest enda ümber meeletu kiirusega tiirleva nn akretsiooniketta. Hõõrdudes kuumeneb see miljonite kraadideni ja hakkab enne musta auku langemist intensiivselt kiirgama elektromagnetkiirguse kõigis lainepikkuse alades kuni kalgi gammakiirguseni välja. Selle kiirguse registreerimiseks on viimastel aastakümnetel kosmosesse lähetatud mitmeid moodsaid orbitaalseid observatooriume, mis püüavad nende allikaid arvele võtta ja nendega setud musti auke loendada. Üks edukamaid ja unikaalsemaid nende observatooriumite hulgas on Euroopa kosmoseagentuuri ESA poolt välja töötatud Integral, mis kogub andmeid supermassiivsete mustade aukude kohta juba 2002. aastast alates.
Üks tänapäeva kuulsamaid mustade aukude uurijaid S. Hawking leidis kvantfüüsikat kasutades, et mustad augud võivad ka „kõhnuda” tänu nende lõkspinna läheduses tekkivate osakestepaaride ebasümmeetrilisele annihileerumisele ja sellest tulenevale massi kaotusele (nn Hawkingi protsess), mistõttu väiksema massiga mustad augud võivad üsna kiiresti „aurustuda”.
Täiendav uus suund mustade aukude uurimisel on teoks saanud tänu moodsate ülisuurte arvutusvõimsustega superarvutite kasutamisele universumi arengu modelleerimiseks. Nimelt on need mudelid näidanud mustade aukude paratamatut teket Universumis ja nende olulist osa galaktikate arengus ja tähtede tekkimisel. Mustad augud võisid tekkida ka juba Suure Paugu käigus ning neil võib olla oma roll ka kosmilises tumedas aines.
On avaldatud ka arvamust, et peatselt Euroopa tuumauuringute keskuses CERNis käiku minev ülivõimas prootonite kiirendi-põrkur LHC võiks mõningatel juhtudel tekitada mikroskoopiliste mõõtmetega kvantomadustega musta augu, mille eluiga kestaks siiski vaid alla miljardiku nanosekundist ja seetõttu ei suudaks eemalduda oma sünnikohast ega kujutada meile mingit ohtu.

Sidebarid: foto 22) 30x20 cm
Stephen Hawking

Sama erandlik või mõistatuslik kui mustad augud taevas on ka nende väljapaistvaim uurija maa peal britt Stephen Hawking (1942). Juba tudengipõlves tabas teda tavaliselt alati surmaga lõppev halvatus (Lou Gehrigi tõbi) ja ta muutus täielikult liikumisvõimetuks ning kaotas ka kõnevõime. Tänu oma erakordsele tahte- ja vaimujõule ta mitte ainult ei jäänud ellu, vaid, olles aheldatud ratastooli külge ja suheldes üksnes arvuti ning kõnesüntesaatori abil, kaitses ka doktorikraadi kosmoloogias ja on üks Suure Paugu ja Universumi arenguteooria kaasautoritest ning üks kuulsamaid mustade aukude uurijaid. Kasutades kvantväljateooriat, avastas ta mustade aukude „aurustumise”.
Tema raamatuid on tõlgitud ka eesti keelde. Oma 65. sünnipäeval väljendas ta soovi uurida ja katsetada gravitatsiooniteooriat ka enda peal. Selleks sooritas ta lennukil hüperboolsel trajektooril kaalutust tekitava lennu. Lend läks maksma 100 000 naela, mille tema eest maksis miljardär Richard Branson.

21)abcdefgh a-18x18, b-18x35, c-28x27, d-11x11, e-11x11, f-20x18, g-15x11, h-17x13. Neid pilte võib ju ka mujal kasutada, aga allkirja peab siis siit tekstist võtma.

Integrali tubli töö
Alates 2002. a tegutseb Euroopa kosmoseagentuuri ESA edukalt 4 tonni kaaluv rahvusvaheline orbitaalne observatoorium Integral, mille põhitöö on ülimalt raske – mustade aukude tuvastamine. Tema pardale paigutatud unikaalne, seni ületamatu tundlikkusega aparatuurikompleks võimaldab registreerida nii nähtavat kui ka röntgen- ja gammakiirgust energiateni kuni 10 MeV. Seni edukaim mustade aukude avastaja NASA röntgenteleskoop Chandra suutis registreerida röntgenkiiri ainult alla 20 keV, kuigi mustade aukude kiirguse maksimum on 30 keV lähedal. Suurema energiaga gammakiired pääsevad kergemini läbi galaktilistest tolmupilvedest, millede varju on osaliselt või täielikult peitunud kuni 90% mustadest aukudest. Märkimisväärne on ka Integrali poolt Linnutee keskmes oleva antiaine pilvede kaardistamine.

Sarnased artiklid