Mustien aukkojen perusominaisuudet ennustettiin jo Albert Einsteinin kehittämässä Yleisessä suhteellisuusteoriassa: ne ovat äärimmäisen tiheitä aika-avaruuden massakeskittymiä. Astrofyysikoille mustat aukot ovat kohtuullisen yksinkertaisia, koska niiden ominaisuudet voidaan selittää vain kolmella suureella: massalla, pyörimismäärällä ja sähkövarauksella. Mustien aukkojen avulla voidaan tutkia fysiikalle keskeisiä teorioita.
– Mustia aukkoja syntyy hyvin massiivisten tähtien kuollessa (kun tähden massa on vähintään noin 15–20 kertaa Auringon massa), sanoo professori Peter Johansson.
Massiivisen tähden loppuvaiheessa eri alkuaineiden (uloimpana vedyn) fuusiota tapahtuu kuorimaisissa rakenteissa ja sisäänpäin mentäessä raskaampien alkuaineiden fuusio etenee, kunnes tähden ydin on fuusioitunut raudaksi. Rautaa ei voi enää fuusioida menettämättä samalla energiaa. Tämä johtaa fuusion äkilliseen pysähtymiseen tähden ytimessä, joka romahtaa kokoon painovoiman vaikutuksesta.
– Mikäli ytimen massa on yli noin 3 kertaa Auringon massa, tuloksena voi syntyä musta aukko, jonka valtavan vetovoiman alueesta edes valo ei pääse pakenemaan, sanoo Johansson.
Kosmisen mittakaavan ilmiö
Omassa Linnunradassamme on arvioiden mukaan noin 100 miljoonaa tähtienmassaista mustaa aukkoa. Yksikään niistä ei sijaitse lähimaillakaan Aurinkokuntaa, vaan paljon kauempana avaruudessa. Kun karkeasti arvioituna Linnunradassa on noin 100–200 miljardia tähteä, voidaan laskea, että vain noin joka tuhannesta tähdestä tulee musta aukko.
– Useimmat tähdet, kuten oma Aurinkommekin, kutistuvat elinkaarensa lopussa pieniksi valkoisiksi kääpiöiksi, Johansson sanoo.
Mustia aukkoja ympäröi tapahtumahorisontti, eli alue, joka toimii kuin yksisuuntainen kalvo. Sen läpi aine, valo ja informaatio valuvat aukkoon mutta eivät voi koskaan poistua.
– Supermassiivisien mustien aukkojen massat voivat olla jopa yli 10 miljardia Auringon massaa. Näissä tapauksissa tapahtumahorisontit ovat suurempia kuin oma aurinkokuntamme, sanoo Johansson.
Mustan aukon tapahtumahorisontin läheltä lähtevää säteilyä on onnistuttu havaitsemaan yhdistämällä radiokaukoputkia ympäri Maapalloa. Näissä Event Horizon -teleskoopin havainnoissa on nähty kahden supermassiivisen mustan aukon varjot, M87-jättiläisellipsigalaksissa ja meidän omalla Linnunradallamme.
– Valtaosa mustista aukoista ovat näitä paljon pienempiä tähtienmassaisia mustia aukkoja, ja niiden välisiä törmäyksiä voidaan tutkia mittaamalla gravitaatioaaltoja, sanoo Johansson.
Toistaiseksi gravitaatioaaltoja ei olla onnistuttu mittaamaan kaukana sijaitsevista supermassiivisista mustista aukoista.
– Event Horizon -teleskoopin ottamat kuvat todistavat suoraan, että mustat aukot ovat olemassa, mutta otokset ovat melko tulkinnanvaraisia. Gravitaatioaaltoja tutkimalla saadaan suoraan tietoja törmäävien mustien aukkojen ominaisuuksista, sanoo Johansson.
Nämä tiedot ovat tutkimusta varten kuviin verrattuna varteenotettavampia.
Mustien aukkojen vaikutus galakseihin
Suurinta osaa Linnunradankaan mustista aukoista ei ole vielä havaittu. Tyhjässä avaruudessa eristyksissä oleva musta aukko ei lähetä säteilyä ja gravitaatioaaltoja voidaan havaita vain törmäävistä mustista aukoista.
– Mustien aukkojen avulla voidaan tutkia fundamentaalista fysiikkaa: Tutkitaan, esimerkiksi löytyisikö Yleisen suhteellisuusteorian toiminnassa eroavaisuuksia niiden läheltä. Toistaiseksi havaintojen perusteella Yleinen suhteellisuusteoria on pitänyt hyvin tarkkaan paikkansa, Johansson sanoo.
Jos eroavaisuuksia löytyisi, olisi se valtava mullistus fysiikassa. Muita selvitettäviä asioita ovat esimerkiksi, miten kaasu ja säteily käyttäytyy tapahtumahorisontin lähellä, minkälaisten prosessien kautta kaasu kuumenee mustien aukkojen kertymäkiekoissa ja minkälaiset vaikutukset supermassiivisilla mustilla aukoilla on galakseihin.
– On esimerkiksi mahdollista, että supermassiivisten mustat aukot asettavat ylärajan galaksien tähtien yhteismassalle. Eli kun mustan aukon massa kasvaa riittävän suureksi kuumasta kertymäkiekosta lähtevä säteily puhaltaa ulos galaksin kaasun ja täten pysäyttää tähtien synnyn. Näin supermassiiviset mustat aukot voisivat suoraan vaikuttaa tähtien syntyyn maailmankaikkeudessa.
Supermassiivisia mustia aukkoja vaikuttaisi olevan vain yksi jokaisen galaksin keskustassa, ja supermassiivisen mustan aukon massa korreloi galaksin tähtimassan kanssa, eli suurimmat mustat aukot löytyvät myös suurimmista galakseista. Täten mustien aukkojen ja galaksin kehityksen välillä on selvä yhteys.
Uhka Maalle?
Onko mustista aukoista sitten mitään vaaraa? Vaikka musta aukko nielaisisi Maapallon ja koko Aurinkokunnankin helposti kokonaisena, on se lähinnä ajatusleikki. Johansson kiteyttää, että on äärimmäisen epätodennäköistä, että mustasta aukosta olisi uhkaa Maapallolle.
– Viimeiseen viiteen miljardiin vuoteen ei ole yhtään tähteä ajautunut lähimaillekaan aurinkokunnan sisäosia, mustista aukoista puhumattakaan. Voihan sitä aina spekuloida, mutta törmäyksiä mustan aukon ja aurinkokunnan välillä tapahtuu tilastollisesti vain keskimäärin kerran 1000 miljardissa miljardissa vuodessa. Tämä on 100 miljardia kertaa pidempi aika kuin maailmankaikkeus on tällaisenaan ollut olemassa, lisäksi Auringolla itsellään on vain noin 5 miljardia vuotta elinaikaa jäljellä. Huolissaan ei siis tarvitse olla, Johansson sanoo.