Kas teadlased on tõesti leidnud musti auke?

TEGEMIST oleks justkui teadusliku fantastikaga: endised säravad tähed varisevad omaenda gravitatsioonijõu mõjul kokku ja muutuvad nähtamatuteks, nii et nende haardest mitte miski, ka mitte valgus välja ei pääse. Paljude astronoomide arvates on sellised mustad augud Universumis üsna tavalised. Kas sooviksid nende kohta midagi enamat teada saada? Lugu saab alguse kaunist Luige tähtkujust (Cygnus) põhjataevas.

Kas Cygnus X-1—A võiks olla must auk?

Alates 1960-ndatest aastatest on astronoomide huviorbiidis olnud üks kindel piirkond Luige tähtkujus. Maa atmosfäärist väljapoole lennutatud orbitaalobservatooriumid avastasid sellest Cygnus X-1-ks kutsutud piirkonnast saabuva võimsa röntgenikiirguse allika.

Teadlastele on juba ammu teada, et mida tulisem on objekt, seda enam energiat temast eraldub lühematel, energiarikkamatel elektromagnetilistel lainepikkustel. Kui kuumutada rauatükki ülikuumas ahjus, hakkab ta algul punakalt, veelgi tulisemaks muutudes aga kollakalt ja valkjalt hõõguma. Sellest lähtudes on tähed otsekui rauakamakad. Suhteliselt külmad tähed temperatuuriga umbes 3000 K on punaka värvusega, samal ajal kui kollasel tähel nagu Päike läheneb väliskihi temperatuur 6000 kelvinile.a Kuid et jõuda Cygnus X-1-lt lähtuva röntgenikiirguseni, tuleks tähegaasi kuumutada miljonite kelviniteni. Sarnast väliskihi temperatuuri pole mitte ühelgi tähel.

Cygnus X-1 alalt on astronoomid leidnud tähe, mille väliskihi temperatuur on hinnangute järgi 30000 K — väga kuum täht küll, ent kaugeltki mitte piisavalt kuum selleks, et saata välja röntgenikiiri. See HDE 226868-na katalogiseeritud täht arvatakse olevat massilt umbes 30 Päikese massi ning ta asub 6000 valgusaasta kaugusel Maast. Sellel ülihiiul on kaaslane ning need kaks keerlevad hoogsalt ümber teineteise orbitaaltaktis täistiir 5,6 ööpäevaga. Teadlaste arvestuste kohaselt lahutab HDE 226868-t kaaslasest vaid mõni miljon kilomeetrit. Mõnede allikate kohaselt on selle kaaslase mass umbes kümme Päikese massi. Ent selle kaaslasega on seotud midagi eriskummalist — ta on nähtamatu. Mitte ükski normaalne sellise suurusega täht ei tohiks sellisel kaugusel Maast nähtamatu olla. Nii massiivne objekt, mis paistab välja saatvat röntgenikiiri, ent mitte nähtavat valgust, on paslik musta augu kandidaat, ütlevad teadlased.

Reis musta augu juurde

Kujutlegem, et meil avaneb võimalus reisida Cygnus X-1 juurde. Eeldades, et see, mida me näeme, on tõesti must auk, võib see üsnagi tõenäoliselt paista sellisena nagu pilt leheküljel 17. See suur täht on HDE 226868. Samal ajal kui selle tähe diameeter on miljoneid kilomeetreid, võib musta augu diameeter olla umbes 60 kilomeetrit. See tilluke must punkt hõõguva gaasi keerise keskmes on musta augu sündmuste horisont ehk lõkspind. Ent tegemist pole mingi kindla pinnaga, vaid pigem millegi varjutaolisega. Siit algab ala, kus musta auku ümbritsev gravitatsioon on nii tugev, et isegi valgus ei saa välja pääseda. Paljud teadlased arvavad, et horisondi sisemuses, musta augu keskmes, on nullruumala ja lõpmatu tiheduse punkt — tuntud kui singulaarsus —, kuhu kõik musta augu aine kadunud on.

Must auk imab endasse tähekaaslase välimisi gaasikihte. Kuna tähelt tulev gaas üha kiiremini spiraalselt keerleb ning hõõrdumisel kuumeneb, moodustub sellest musta auku ümbritsev hõõguv ketas. Liikudes äärmiselt tugeva gravitatsioonijõu mõjul järjest fantastilisematel kiirustel, saadab see ülikuum gaasiketas vahetult musta augu servalt välja röntgenikiiri. Kui gaas juba musta auku langeb, ei saa sealt röntgenikiired — ega midagi muud — teadagi enam välja pääseda.

Cygnus X-1 pakub kütkestavat vaatepilti, ent ärgem mingem talle liiga lähedale! Tappev pole mitte ainult röntgenikiirgus, vaid ka gravitatsioon. Maakeral on seisva inimese pea ja jalgade vahel väga väike gravitatsioonijõu erinevus. Sellest erinevusest on tingitud imeväike tõmbejõud, mida pole tunda. Ent Cygnus X-1-l on see väike erinevus kasvanud 150 miljardi kordseks, tekitades jõu, mis keha kõvasti venitama hakkaks, otsekui tiriksid nähtamatud käed inimese jalgu ühes, pead aga teises suunas!

Kas Cygnus A võiks olla ülimassiivne must auk?

Luige tähtkujus on veel üks mõistatuslik ala. Vaatlusel on sellel alal näha vaid väga ähmane kauge galaktika laiguke, ent see saadab välja võimsamaid raadiolaineid taevalaotuses. Nimetuseks on sellel Cygnus A ning ehkki see avastati üle 50 aasta tagasi, valmistab see teadlastele ikka veel peamurdmist.

Cygnus A mastaabid rabavad kujutlusvõimet. Samal ajal kui Cygnus X-1 asub meie kodugalaktikas mõne tuhande valgusaasta kaugusel, arvatakse Cygnus A olevat sadade miljonite valgusaastate kaugusel. Ehkki Cygnus X-1 on oma nähtavast kaaslasest vaid umbes ühe valgusminuti kaugusel, lahutavad Cygnus A-lt tulevate raadiolainete kahte juga sajad tuhanded valgusaastad.b Paistab, et miski saadab juba sadade tuhandete või koguni miljonite aastate kestel Cygnus A keskmest otsekui kosmilisest kiirterelvast välja võimsaid vastassuunalisi energiajugasid. Cygnus A keskme kohta koostatud detailsetelt raadiokaartidelt võib näha, et nende raadiolainete jugadega võrreldes on see kiirterelv pisike, mõõtmetelt valguskuust väiksem. Kui ta kogu see aeg oleks värelenud, oleksid kiired kõverdunud. Ent mõistatuslikud kiirtejoad on täiesti sirged, otsekui oleks neid välja tulistav kiirterelv olnud hiigelgüroskoobi abil stabiliseeritud.

Mis võiks seda põhjustada? ”1980-ndate aastate alguseks oli selle keskse energiaallika kohta pakutud kümneid seletusi,” kirjutab professor Kip S. Thorne, ”vaid ühes neist eeldati mingi hunnitu pikaealise, mõõtmetelt valguskuust väiksema, võimsaid jugasid välja saatva güroskoobi olemasolu. See ainulaadne idee käsitles gigantset pöörlevat musta auku.”

Teisi oletatavaid musti auke

Aastal 1994 võttis vastremonditud Hubble’i Kosmoseteleskoop põhjalikuma vaatluse alla ”lähedase” galaktika M87, mis arvestuste kohaselt on 50 miljoni valgusaasta kaugusel. Tänu moodsale optikasüsteemile avastas Hubble’i Kosmoseteleskoop M87 keskmes gaasikeerise, mis keerles mingi objekti ümber rabava 2 miljoni kilomeetrise tunnikiirusega. Mis võis gaasi sellisel kiirusel liikuma panna? Arvutused näitasid, et objektil keerise sees peab olema mass, mis võrdub vähemalt kahe miljardi Päikese massiga. Ent see objekt on surutud meie Päikesesüsteemi suurusele ”tillukesele” ruumalale. Teadlaste arvates võiks ainult ülimassiivne must auk selle kirjeldusega sobida.

Nüüd on musta augu kandidaate avastatud terve rea lähedaste galaktikate keskmetes, kaasa arvatud meie ”üleaedses”, kõigest umbes kahe miljoni valgusaasta kaugusel asuvas Andromeeda galaktikas. Ent hiiglaslik must auk võib olla meile veelgi lähemal kui Andromeedas! Hiljutiste vaatluste põhjal võib oletada, et meiegi Linnutee galaktika keskmes võib üsna tõenäoliselt asuda hiigelsuur must auk. Väikesel alal asub miski, mille mass on oletatavasti 2,4 miljonit Päikese massi ning mis paneb meie Galaktika keskme lähedased tähed tohututel kiirustel enda ümber tiirlema. Füüsik Thorne märgib: ”1980-ndatel aastatel järk-järgult kogunenud tõendite põhjal võib arvata, et taolised augud ei pesitse mitte ainult enamiku kvasarite ja raadiogalaktikate sisemuses, vaid ka kõige suuremate, normaalsete (mitteraadio-)galaktikate, nagu näiteks Linnutee ja Andromeeda sisemuses.”

Kas tõesti on teadlased avastanud mustad augud? Võimalik küll. Kindel on see, et nad on avastanud Luige tähtkujus ja ka mujal ülimalt kummalisi objekte, mida praegu saab kõige paremini seletada kui musti auke. Ent uued andmed võivad üldtunnustatud teooriaid ka kõigutada.

Rohkem kui 3500 aastat tagasi küsis Jumal Iiobilt: ”Kas sa tunned taeva seadusi?” (Iiob 38:33). Muljetavaldavast teaduslikust progressist hoolimata on see küsimus ikka ajakohane. Seega, just siis, kui inimene juba arvab end Universumit mõistvat, saabub uusi ootamatuid vaatlusandmeid, mis tema hoolikalt kokku seatud teooriad ümber lükkavad. Seni aga võime neid tähtkujusid imetleda ja nende ilust rõõmu tunda!

[Allmärkused]

[Kast lk 16, 17]

Millest tekib must auk?

PRAEGUSE teadusliku käsituse kohaselt säravad tähed tänu lakkamatule gravitatsiooni ja tuumajõudude vahelisele võitlusele. Kui poleks gravitatsiooni, mis surub gaasi sügavale tähe sisemusse, ei toimuks tuumapõlemist. Kui aga gravitatsioonilisele tõmbejõule vastupanu osutavat tuumapõlemist ei toimu, võib tähtedega juhtuda midagi eriskummalist.

Teadlased arvavad, et kui umbes meie Päikese suurused tähed on ammendanud oma tuumakütuse, mis koosneb vesinikust ja heeliumist, surub gravitatsioon need tähed kokku umbes maakera suuruseks tuliseks rauaräbuks nimetusega valged kääbused. Valge kääbus võib küll sisaldada Päikese suuruse tähe massi, ent on pressitud sellest miljon korda tihedamasse ruumi.

Tavapärast ainet võib võtta kui valdavalt tühja ruumi, kus iga aatomi peaaegu kogu mass on koondunud imeväiksesse tuuma, mida ümbritseb sellest palju suurem elektronipilv. Kuid valge kääbuse sisemuses surub gravitatsioon elektronipilve võrreldes selle endise ruumalaga üliväikseks kokku, nii et täht kahaneb planeedi suuruseks. Meie Päikese suuruste tähtede puhul valitseb sel hetkel gravitatsioonijõu ja elektronide poolt avalduvate jõudude vahel tasakaal, mis takistab edasist kokkusurumist.

Ent kuidas on lugu Päikesest suurema massi ja tugevama gravitatsiooniga tähtedega? Päikesest 1,4 korda suurema massiga tähtede puhul on gravitatsioonijõud nii suur, et elektronipilv surutakse olematuks. Prootonid ja elektronid ühinevad siis neutroniteks. Eeldusel, et gravitatsioon pole liiga tugev, avaldavad neutronid edasisele kokkusurumisele vastupanu. Tagajärjeks pole mitte planeedisuurune valge kääbus, vaid väikese asteroidi suurune neutrontäht. Neutrontähed koosnevad kõige tihedamast teadaolevast ainest Universumis.

Mis aga juhtub siis, kui gravitatsioon veelgi suureneb? Teadlased arvavad, et tähtedes massiga umbes kolm Päikese massi on gravitatsioon liiga tugev, et neutronid sellele vastu panna suudaksid. Sellisele gravitatsiooni kogujõule ei suuda mitte mingi füüsikutele teadaolev ainevorm vastu panna. Paistab, et see asteroidisuurune neutronikera ei suruta kokku mitte lihtsalt väiksemaks keraks, vaid hoopis eimillekski, punktiks nimetusega singulaarsus, või siis mingiks muuks seni veel kirjeldamata teoreetiliseks moodustiseks. Näilikult täht kaob, nii et temast jääb sinna, kus ta oli, vaid gravitatsioon ja must auk järele. Endise tähe asukohta moodustub musta augu mõjul gravitatsiooniline vari. See on ala, kus gravitatsioon on nii tugev, et sealt ei pääse välja mitte miski — isegi mitte valgus.

[Pildid lk 16]

Luige tähtkujusse kuuluvad ka Põhja-Ameerika udukogu (1) ja Cirruse udukogu (2). Cygnus X-1 (3) leiame poolel teel piki luige kaela alla liikudes

Luige tähtkuju (Cygnus)

[Allikaviited]

Tony and Daphne Hallas/Astro foto

Tony and Daphne Hallas/Astro foto

[Pildid lk 17]

Cygnus X-1 teoorias

Mustad augud avastatakse nende mõju järgi teistele taevakehadele. Sellelt pildilt on näha, kuidas tähelt tõmmatakse gaasid musta auku

Kunstniku kujutlus mustast august (punases ristkülikus) ja selle suurendusest (all)

[Pildi allikaviide lk 14]

Einstein: U.S. National Archives foto