MUSTAD AUGUD
Sissejuhatus
Antud töö on vormistatud ja koostatud korporatsioon Rotalia rebasereferaadina. Teema „must auk“ on tänapäeva kosmose-huvilistele eriti pinget pakkuv, kuna just viimastel aastatel on tehtud suuri edusamme antud valdkonna avastamisel. Valdav osa veel 10 aastat tagasi kehtinud tõdedest on osutunud iganenuks, uued ja imelised avastused on pannud teadlasi hoopis teisiti mõtlema ja tegema uusi arvutusi-rehkendusi, looma uusi teooriaid.
Kõike eelmainitud teades asusin siiski koostama referaati teemal „Mustad augud“. Alljärgnevas ei ürita ma tungida probleemi sügavusse, mis mul nagunii ei õnnestuks, vaid selgitada lihtsamalt: mis on mustad augud, kuidas tekkisid, kuidas uuritakse ja lõppkokkuvõttena tekitada muljet sellest, kui imeline on see kauge nähtus.
Must auk on ülisuure gravitatsioonipotentsiaaliga ülikompaktne taevakeha, mida ümbritsevast pinnast – lõkspinnast – ükski osake välja ei pääse. Ruum mustade aukude ümber on tugevasti kõverdunud. Ehk teisisõnu: mustad augud koosnevad ainest, mis on ülitihedalt kokku surutud. Seepärast on mustad augud niisugused kosmilised kehad, mis omavad väga suurt külgetõmbejõudu (joonis 1.1).
Joonis 1.1 Must auk.
(joonis on kopeeritud lehelt http://miksike.ee/documents/main/elehed/4klass/1kosmos/elutuba/mison.htm )
Nimetus "must auk" on edasiarendus kuulsa prantsuse matemaatiku ja filosoofi P. S. de Laplace'i rohkem kui 200 aastat tagasi kirjutatud essee "Must täht" tiitlist. Laplace - rehkendas välja, milline peaks olema tähe mass, et valgus tema pinnale "kinni jääks". Selleks kasutas ta nn. "teise kosmilise kiiruse" (kiirus, mis tuleb anda kosmoselaevale, et see oleks suuteline Maalt lahkuma) valemit
M
v2 = G --- .
R
Kuna tol ajal oli juba teada valguse kiirus (selle määras 1690. a. taanlane O. Römer Jupiteri kaaslaste varjutusi jälgides), sai Laplace "musta tähe" massiks
c2 * R
M = -------
G
ja raadiuseks
G * M
R = ----- .
c2
Muidugi on see "kõigest matemaatika", aga tulemus on hämmastav: täht küll kiirgab valgust, aga sellesama tähe gravitatsiooniväli ei lase seda valgust minema. Nii et väljastpoolt tähte näha ei ole, tema asemel on must koht maailmaruumis...
Kui nt. Maa suruda kokku pisikeseks 1 sentimeetrise läbimõõduga keraks, ilma, et Maa ainest midagi kaotsi läheks, siis suureneb Maa külgetõmbejõud nii suureks, et Maa muutuks mustade aukude sarnaseks. Ta hakkab ülisuure jõuga kõiki asju enda külge tõmbama. Isegi valgus ei pääseks niisugusest mustast august läbi.
1.1 Mustade aukude liigitus ja iseloomustus
Eristatakse ürgtekkelisi ja gravitatsioonilise kollapsi põhjustatud musti auke. Ürgtekkelisi musti auke saab „väline vaatleja“ eristada 3 karakteristiku – massi, elektrilaengu ja impulsimomendi – järgi. Pöörlev must auk võib oma ümbrusest haarata ainet ja osa sellest tagasi paisata, kaotades sedasi pöördliikumise energiat. Termodünaamiliselt iseloomustavad ürgtekkelist musta auku lõkspinna suurusega määratud entroopia ja massiga pöördvõrdeline tº, mis määrab musta auku ümbritsevast gravitatsiooniväljast moodustuva osakeste ja kiirgusvoo. Musti auke on kosmosest teleskoobiga väga raske leida. Neid avastatakse mõju järgi, mida nad teistele taevakehadele avaldavad.
Näiteks võib musti auke avastada kaksiktähtede korral, millest üks on muutunud mustaks auguks. Siis hakkab ta imema teise tähe gaasi endasse ja gaas kuumeneb ning hakkab helendama. Kui näha seda helendust, võib kindlaks teha musta augu. Ürgtekkelisi musti auke pole seni avastatud, kuigi mõningaid gammasähvatusi on püütud seostada seda tüüpi mustade aukude lagunemisega. Kollapsi põhjustatud musti auke on avastatud peamiselt kaksiktähtede koostisest, nende olemasolu järeldatakse kaksiktähe komponente ümbritsevate ülikuumade, röntgenikiirgust emiteerivate gaasketaste (nn. akretsiooniketaste) põhjal ning nende massi hinnatakse komponentide orbitaalliikumise järgi
Musti auke on peetud ka vastutavaks seni kõige energiarikkama nähtuse - kaugete kvasarite kiirguse - eest Universumis. Teadlased arvavad, et kõik või enamik
galaktikaid on oma arengu varasel perioodil läbinud etapi, kus nende keskel "põles" hele kvasar, mille "jõujaamaks" sai olla vaid must auk. Praeguseks ajaks on need
galaktikate keskel asuvad kvasarid kustunud ja seal asuvad mustad augud on "vaiksed". Kolmes üsna tavalises ja lähedases galaktikas M105, NGC 3379 ja NGC
4486 avastatud mustad augud kinnitavad seda hüpoteesi.
1.2 Mustade aukude teke ja surm
Mustad augud tekivad harilikult hiigeltähtede - punaste hiidude (mis on Päikesest vähemalt 4 korda suuremad ja vähemalt 3 korda raskemad) ära põlemisel. Must auk on tekkinud vastsündinud galaktika ülitiheda täheparve keskel. Sellises parves on tähed põrkuma hakanud ning sulandunud üheks – supermassiivseks täheks. Mustad augud tekivad harilikult hiigeltähtede - punaste hiidude (mis on Päikesest vähemalt 4 korda suuremad ja vähemalt 3 korda raskemad) ära põlemisel. Sellesse auku kukub pidevalt tähti, lõpuks saavutab nähtus kolossaalse massi.
Kvantteooriast ilmneb et kui musta augu mass on vähenenud 10 000 000 kg-ni, laguneb ta ülikiiresti (mõne sekundi jooksul), sealjuures vabaneb plahvatuslikult 
J energiat. Musta augu lagunemise lõpptº 
K on suure paugu kontseptsiooni kohaselt sama suur kui universumi tekke algtemperatuur. Nüüdseks lagunenud ürgtekkeliste mustade aukude algmass oli alla kg.
Rühm ameerika teadlasi on uurinud Kosmoseteleskoobiga ja Havai observatooriumi maapealsete teleskoopidega lähedasi galaktikaid Neitsi galaktikaparve suunas
ning tulnud järeldusele, et peaaegu kõigis galaktikates võib peituda ülimassiivne must auk kuni mitmesaja miljoni Päikese massiga.
Tartu tähetornis tegeles musta augu probleemiga esimesena J. H. Mädler, Eesti TA Astrofüüsika ja Atmosfäärifüüsika Instituudis on seda käsitlenud A. Sapar.
Klassikalise mehhaanika põhjal tõestas musta augu võimalikkust 1796 P. S. de Laplace. Laplace'i ajal usuti, et valgus on materiaalsete osakeste - korpusklite - vool ja et need "korpusklid" ei erine millegi poolest tavalistest esemetest. Ainult et nad on hästi väikesed ja liiguvad hästi kiiresti. Ka ei välistanud tolleaegne füüsika valguse kiirusest suurema kiirusega liikuvate osakeste olemasolu.
Kui 19. sajandi lõpuks selgus, et valguse kiirusest suurema kiirusega ei saa ükski asi liikuda, sai "must täht" uue tähenduse. Selliselt tähelt ei saa ära minna ükski asi ja kõik esemed, mis jõuavad piir-raadiuseni, kukuvad nagu auku. Nimetame seda raadiust tinglikult "lõkspinnaks", et rõhutada musta augu tähtsamat omapära - ühesuunalist läbitavust (ainult väljast sissepoole).
Mustad augud kiirgavad tohutult, kuigi on ise täiesti mustad, pimedad. Nähtuste ümber pöörlevad üüratud akretsioonkettad. Kõik mustade aukudega seotud massid ja energiasuurused on inimese jaoks küllaltki kujuteldamatud, mis lisab ainult nähtusele saladuslikkust.
Kuni eelmise sajandi lõpuni rajanesid ettekujutused mustast august üldrelatiivsusteoorial (K. Schwarzschild 1916, R. Kerr 1963) tähe evolutsiooni- ja akretsiooniarvutustel. Kuid tänaseks on teadlased avastanud otsese tõendi selle kohta, et must auk on olemas
Kui galaktikakeskmes on mitu musta auku, võib tekkida mustade aukude tants. Valtoneni nn. “linguteooria” järgi võivad näiteks kaks auku kolmanda “nagu linguga” galaktikast välja heita. Kui too aga lõpuks pidama saab, hakkab ta tagasi kukkuma. Galaktikakeskmest tuhiseb auk taas läbi teisele poole, kust jälle tagasi hakkab kukkuma ja võib nii võib see tantsida ümber galaktika miljardeid aastaid.
2.1 Kui suured on mustad augud
Kui suur on "must auk", selle määrab ainuüksi "augus olevate" esemete (näiteks tähtede) kogumass. Kordaja G/c2 koosneb universaalkonstantidest G = 0.000 000 000 067 (gravitatsioonikonstant) ja c2 = 90 000 000 000 000 000 (valguse kiiruse ruut). Jagage need omavahel ja näete, kui mitu korda on "augu" raadius meetrites väiksem selle tekitaja massist kilogrammides. Isegi kui võtame sellise suure asja nagu Päike -
M = 2 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 kg - tuleb augu raadiuseks vaid poolteist kilomeetrit. Päikese tegelik raadius on tervelt 700 000 km. Nii et normaalne täht kuidagi sinna auku ei mahu.
Kuidas oleks lood ebanormaalsete tähtedega? Valgete kääbustähtede raadiused on 5000 km ringis, neutrontähtedel alla 20 km. Mõlemat tüüpi tähed tekivad siis, kui normaalse tähe tuumakütus otsa lõpeb. Füüsika valemid näitavad, et mida suurem täht, seda väiksemaks ta tõmbub. Piisab juba kolmest Päikese massist, et tähest saaks lõppkokkuvõttes must auk
On veel üks võimalus.
Nagu öeldud, võib "augus" olla ka rohkem kui üks täht. Galaktikate ja täheparvede keskmes on tähti väga tihedalt. Oletame näiteks, et neid on seal mingis ruumalas miljard tükki (kokku on galaktikas mitusada miljardit tähte) ja vaatame, kui suure augu me neist saame. Et augu raadius on võrdeline massiga, tuleb ka vastus miljard korda suurem kui Päikesel, seega poolteist MILJARDIT kilomeetrit. Sellise augu ruumala on juba nii suur, et kõik need Päikese taolised tähed sinna lahedalt ära mahuvad (ruumi on 15 korda rohkem kui vaja). Seega võib normaalse galaktika keskmes must auk tõesti olemas olla. Isegi mitu tükki, nagu mõned väidavad. Näha neid loomulikult pole, "tunda" saab augu olemasolu vaid teiste (nähtavate) tähtede liikumist jälgides.
Aga enne kui seda lugu uskuda, rehkendage toodud väited ise üle. Mine sa tea, kus ma eksida võisin. Ja ka siis, kui see kõik tõele vastab: poolteist miljardit kilomeetrit on parasjagu Saturni orbiidi raadius. Eks katsuge sinna sisse miljard Päikest ära mahutada...
(Kogu eelnev alalõik (2.2) pärineb EPMÜ Füüsikainstituudist professor Jaak Jaanistelt)
Vaatlustest musta auku ennast otseselt näha ei saa, küll aga sündmuste horisonti, mis muutub nähtavaks horisondile langeva ja kiirgava aine (näiteks kuuma gaasi) tõttu. Kuna selline sündmuste horisont saab olla vaid mustal augul, siis selle avastamine on kõige otsesem tõend musta augu olemasolust. Viimastel aastatel on saadud vaatluslikke vihjeid, et mõned tähed ja enamik galaktikate tsentreid võivad olla mustad augud.
NASA kaks suurt satelliitobservatooriumi - Hubble'i kosmoseteleskoop ja Chandra röntgenobservatoorium - on sõltumatult leidnud kaalukaid tõendeid mustade aukude olemasolust. Must auk oli selle ajani olnud vaid teoreetiline kontseptsioon massiivsest objektist, mis on sattunud iseenese nii tugeva gravitatsioonivälja lõksu, et isegi valgus ei saa temalt lahkuda. Seda pinda musta augu ümber, millest lähemal midagi enam tähelt lahkuda ei saa, nimetatakse sündmuste horisondiks või ka lõkspinnaks (ja kaugust tsentrist nimetatakse gravitatsiooniliseks raadiuseks).
3.1 Röntgenobservatoorium Chandra
Satelliit Chandra vaatles (osa vaatlusi oli ka varasemad - röntgensatelliidilt ROSAT) ligi tosinat röntgen-noovat. Röntgen-noovad on kaksiksüsteemid, milles üks täht on tavaline (näiteks Päikese taoline), teine aga kas neutrontäht või must auk. Neutrontähed on väga tihedad oma aktiivset eluperioodi lõpetavad tähed. Erinevused nende kahte tüüpi röntgen-noovade kiirguses ongi tõendiks mustade aukude olemasoluks. Kui neutrontähe pinnale langevad gaasipilved muutuvad kokkupõrkumise hetkel heledaks eralduva energia tõttu, siis mustal augul tahket tähepinda ei ole, ning kiiresti sündmuste horisondile langeva aine kiirgus lihtsalt kaob, kuna lõkspinna alla kaob kiirgav aine ise. Chandra vaatlused näitasidki, et osa noovasid on heledad (neutrontähed), ülejäänute heledus aga vaid sajandik esimeste heledusest (mustad augud).
Sateliit Chandra vaatleb taevas valitud objekte röntgenkiirguses ja on võimeline mõõtma ka röntgenallikate heleduse muutumist. Vaadeldes Linnutee keskme suunas, kus asub ka hele röntgenallikas Sagittarius A, avastas Chandra selle välgatuse röntgenheleduses. Mõneks minutiks muutus tuntud röntgenallikas tunduvalt heledamaks kui tavaliselt. Nii lühiaegselt vilkuda saab vaid väikeste mõõtmetega objekt. Samal ajal peab ta aga olema väga suure massiga , arvatavasti ligi miljon Päikese massi. Suur mass järeldub Linnutee keskme ümber tiirlevate tähtede väga suurest kiirusest. Selline objekt saab olla vaid must auk. Muidugi ei vilgu otseselt must auk ise, vaid temale väga kiiresti langev kuum aine, mis kiirgabki röntgenlainealas. Astronoomid on arvamusel, et iga galaktika keskel võib olla must auk (Joonis 3.1).
Joonis 3.1 Pildil on röntgensatelliidi Chandra pilk Linnutee keskmele: hele täpp pildi keskel on röntgenallikas Sagittarius A, mille sees asub ülisuur must auk (Baganoff jt.,MIT,CXO,NASA).
(Pilt on kopeeritud lehelt http://www.obs.ee/cgi-bin/w3-msql/vaatleja/artikkel.html?id=357 )
Hubble'i kosmoseteleskoop jälgis "tähepinnale" langeva aine kustumist ultravioletses kiirguses röntgentähe Cygni XR-1 puhul (asub Luige tähtkujus ligi 600 valgusaasta kaugusel). Hubble'i kosmoseteleskoobi vaatlus toimus juba ammu - 1992. aastal. Ligi kaheksa aastat kulus uurijatel, et tohutust hulgast vaatlusandmetest leida signaale gaasipilvede langemisest tiheda kompaktse objekti "pinnale". Nendest vaatlustest mõõdeti kahe langeva gaasiklombi liikumist ja lõpuks signaali kustumist (kadumine lõkspinna sisse). Aine ei lange seejuures otse, vaid tiireldes suure kiirusega spiraali pidi. (Joonis 3.2)
Joonis 3.2 Joonisel on kujutatud tähele langeva aine liikumist neutrontähele (paremal)
ja mustale augule (vasakul). Esialgu on liikumine sarnane, aga lõpp on erinev: neutrontähe
pinnale langedes kiirgus gaasiklombilt kasvab, mustale augule langedes aga ta kustub,
kadudes sündmuste horisondi taha.
Gaasi langemine musta augu lõkspinna sisse on sarnane vee langemisega veekeerisesse. Piltlikult võib seda nimetada surma-spiraaliks, sest aine kaob lõkspinna sisse meie jaoks igavesti. Must auk on kõige eksootilisemate omadustega astrofüüsikaline objekt, mille kohta on nüüd ka veenvaid vaatluslikke tõendeid.
Kokkuvõte
Referaadi tegemine oli kahtlemata võimalus ennast tõestada: seda kuidas vormistada, koostada, materjalist aru saada. Töö koostamisel selgus, et materjali on selle kohta väga palju, kuid viimase aja avastuste tõttu, on enamus neist kujunenud paljaks lehetäiteks, see tähendab: materjali viimaste avastuste kohta pole veel jõutud paberile panna. Sain teada palju uut ja huvitavat musta augu kohta ja üritasin seda ka lühidalt käesoleva referaadiga edasi anda.
Väljaanded
„Tehnikamaailm“ 5/2004, lk 80 „Sabatähti uurimas“
„Tehnikamaailm“ 7/2004, lk 60 „Kihutame uurima Saturni“
„Tehnikamaailm“ 12/2004, lk 68 „Atacamas tähti uurimas“
Eesti Entsüklopeedia 7, lk 461
Eesti Entsüklopeedia 9, lk 663/664
Eesti Nõukogude Entsüklopeedia 2, lk 9
Eesti Nõukogude Entsüklopeedia 3, lk 486
Neutrontähed, Ene Ergma
Interneti aadressid
Jaak Jaaniste, 2005 -Suulised andmed
Lisa 1- Mõisted
*Must auk (black hole) - Gravitatsioonilise kollapsi tulemusel Schwarzschild’i raadiusega määratud piirkonda sulgunud aine, kust ei saa väljuda enam mitte mingit valgust, osakesi ega signaali. Musta auguga on tegemist, kui keha paokiirus saab võrdseks valguse kiirusega (2GM/R = c2). Kui Päikese massiga objekti raadius kahaneks 2,5 kilomeetrini, saaks temast must auk. Musti auke peetakse Chandrasekhar’i piirist palju massiivsemate tähtede evolutsiooni üheks võimalikuks lõpp-produktiks.
*Gravitatsiooniline kollaps (gravitational collapse)- Massiivse tähe äkiline kokkukukkumine, kui väljapoole suunatud kiirgusrõhk ei ole enam küllaldane tasakaalustamaks sissepoole suunatud gravitatsioonijõude. Gravitatsioonilise kollapsi puhul vabaneb äkitselt suurtes kogustes gravitatsioonilist potentsiaalset energiat. Arvatakse, et gravitatsiooniline kollaps viib supernoovade, neutrontähtede ja mustade aukude tekkimisele.
*Massiivne must auk (massive black hole) - Mõiste, mida kasutatakse kvasarite ja aktiivsete galaktikatuumade teoreetilistes mudelites, mille järgi energiaallikaks on gaasi ja tähtede langemine (ja sellest tulenev kuumenemine) ülimassiivsesse kesksesse musta auku.
*Kvasar (quasar) - Universumi kõige heledamad objektid. Kvasarid kiirgavad Päikese-süsteemist vaid veidi suuremast ruumalast triljoneid kordi rohkem valgust kui Päike. Enamik kvasareid asub väga kaugel, mis tähendab, et nad eksisteerisid väga ammu.
*Galaktika (galaxy) - Miljonite, miljardite või triljonite tähtede kogum. Linnuteele viidates kirjutatakse sõna “galaktika” suure algustähega, muudel juhtudel mitte; seega: “Andromeeda on Galaktikale lähim hiidgalaktika”.
*Täht (star) - Taevakeha, mis kiirgab oma keskmes toimuval termotuumasünteesil vabanevat energiat. Termotuumasünteesi käivitumiseks peab tähe mass olema umbes 0,08 Päikese massi. Kui näiteks planeet Jupiter oleks umbes 50 kuni 100 korda massiivsem, toimuks tema keskmes tuumasüntees ja ta oleks täht.
Lisa 2- Isikud
*Hubble, Edwin Powell (20.11.1889 - 28.11.1953)- ameerika astronoom, Rahvusliku TA liige, Galaktika-välise astronoomia rajajaid. Töötas aastast 1914 Yerkesi ja aastast 1919 Mount Wilsoni observatooriumis. 1923-24 tõestas lõplikult galaktikate olemasolu väljaspool Linnutee tähesüsteemi, esitas 1925 kasutatavaima galaktikate klassifikatsiooni süsteemi. 1929 avastas punanihke seaduse.
*Chandrasekhar, Subrahmanyan (19.10.1910-xxx), india päritoluga ameerika astrofüüsik, kiirguse ülekande teooria rajajaid, Rahvusliku TA liige. Aastast 1942 Chicago ülikooli teoreetilise astrofüüsika professor. Nobeli preemia 1983