Astronoomid, füüsikud ja teadlased antud teemaga seotud aladelt üle kogu maailma kogunesid 18-20 jaanuaris 2012, et arutada ettevõtmist, mis kõigest mõned aastad tagasi oleks peetud ennekuulmatuks. Konverentsi organiseerijateks olid Dimitrios Psaltis ja Dan Marrone Arizona Ülikooli Stewardi Observatooriumist.

“Keegi ei ole varem suutnud pildistada musta auku” ütles Psaltis. “Seda plaanime meie aga teha.” “Isegi viis aastat tagasi ei oleks selline ettepanek olnud usutav,” lisas Sheperd Doeleman Haystack´i Observatooriumist, kes on peamine EHT investor pärast projekti dubleerimist. “Nüüd on meil aga tehnoloogilised lähenemised sellele.”

Arvuti simulatsioon ülikuumast plasma keeristest ümber musta augu meie galaktika keskel.

“Mustad augud on kõige eksteemsem keskkond universumis,” ütles Doeleman. Gravitatsiooniväljad musta augu ümber on nii üüratud, et neelavad kõik läheduses oleva endasse; isegi valgus ei suuda seda läbida. Seetõttu nimetataksegi musti auke just niimoodi — nad ei kiirga mittemingisugust valgust.

Seega kuidas teha pilti millestki, mida definitsiooni järgi on võimatu näha. “Enne kui tolmu ja gaasi keerised tõmmatakse augu sisemusse, ilmneb nö. kosmiline liiklusummik”, ütles Doeleman. “Keerlemine ümber musta augu on võrreldav vee tiirlemisega vanni äravoolutorus. Aine surutakse nii tihedalt kokku, et selle tulemusena hõõrdumisel kuumeneb aine miljardite kraadideni plasmaks, pannes seda ‘helendama’ ning kiirgama energiat, mida on võimalik Maal pealt detekteerida.”

Pildistades aine helendumist keerlemisel ümber musta augu enne, kui see läheb üle ääre ning „sukeldub“ aja ning ruumi kuristikku, on teadlased suutnud näha vaid musta augu kontuuri, mida nimetatakse ka varjuks. Kuna füüsika seadused ei kohanda või ei oska kirjeldada seda, mis juhtub selle piiri taga, kust ei ole põgenemis- või tagasiteed isegi valgusel. Seda piirjoont nimetatakse sündmuste horisondiks (event horizon).

“Siiamaani on meil kaudsed tõendid musta augu paiknemisele Linnutee tsentris,” ütles Psaltis, “aga kui me näeme selle varju, pole seal enam mingit kahtlust.”

Kuigi arvatavasti Galaktika tsentris asuv must auk on ülimassiivne, ligi 4 miljoni Päikese massiga, on see astronoomide `silmadele` siiski tibatilluke.

“Selleks, et näha midagi nii väikest nii kaugel, on vaja väga suurt teleskoopi ning suurim teleskoop, mida Maal võimalik teha, on muuta kogu planeet teleskoobiks,” ütles Marrone.

Selle lõpetuseks ühendab kuni 50 raadioteleskoopi, mis on hajutatud üle kogu maakera. Sinna kuuluvad näiteks teleskoobid Mauna Keas Havail, Atacama Suur Millimeeter Teleskoop (ALMA) Tšiilis, Submillimeeter Teleskoop Mt. Grahamis, Kombineeritud Jada Millimeeterlaine Astronoomia Uuringuks Kalifornias (Combined Array for Research in Millimeter-wave Astronomy). Globaalne rivi sisaldab erinevaid teleskoope Euroopas, 10-meetrist taldrikut Lõuna Poolusel ja potentsiaalselt 15-meetrilist antenni 4,6 km kõrgusel ühes Mehhiko mäetipus.

“Sisuliselt me teeme virtuaalse teleskoobi peeglitega, mille kogupind on sama suur kui Maa pind,” ütles Doeleman. “Igat raadioteleskoopi, mida me kasutame, võib võtta kui väikest hulka hõbedasi suuri peegleid. Piisava hulga hõbedatud täppidega on võimalik luua kujutis. EHT (Event Horizon Telescope) ei ole esimese-valguse projekt, kus me vajutame lülitit ning lähme koheselt teadmatusest andmeteküllasesse teadmisele. Iga aastaga plaanime parandada pildi teravust, lisades juurde üha enam teleskoope.”

Üheks oluliseks ning pikisilmi oodatud võtme-elemendiks Sündmuste Horisondi ühenduse saavutamisel ülemaailmse raadioteleskoopide võrgustikuga on Atacama Suur Millimeeter Teleskoop (ALMA) Tšiilis. Koosnedes ise 50-st antennist, on ALMA funktioon võrdne 90-meetri diameetriga taldrikuga, mistõttu on seda kutsuma hakatud “tõelise mängu muutjaks.”

“See võimaldab näha , mis tegelikult toimub musta augu horisondi läheduses, mis on kõige tugevama gravitatsioonilise väljaga universumis,” ütles Psaltis. “Keegi pole varem testinud Einsteini üldrelatiivsus teooriat nii tugevatel väljadel.”

Üldrelatiivsuse ennustuste järgi peab hele piirjoon, mis on defineeritud musta augu varjuna, olema kujult perfektne ring. “Kui me avastame, et musta auk on hoopis lapik, tähendab see, et Einsteini üldrelatiivsus teooria on vigane,” ütles Psaltis. “Isegi kui me ei leia kõrvalekallet üldrelatiivsusest, siis kõik need protsessid aitavad meil mõista teooria fundamentaalseid aspekte palju paremini.”

Mustad augud on jäänud kõige vähem mõistetavamaks fenomeniks universumis. Ulatudes massi poolest mõnest kuni miljardite Päikese massideni, esinevad mustad augud galaktikates nagu lahustumatud õlitilgad vees. Enamik, kui mitte kõik galaktikad hoiavad arvatavasti supermassiivset musta auku oma tsentris ning väiksemad on hajutatud läbi ülejäänud ruumi. Teadaolevalt on meie Linnutees umbes 25 väiksemat musta auku, ulatudes 5 kuni 10 Päikese massini.

“Linnutee tsentri puhul on meie jaoks soodne nii suurus kui ka lähedus,” ütles Marrone.“ On suuremaid musti auke kaugemates galaktikates ning on lähemaid, kuid nad on väiksemad. Meie oma on just õige suuruse ja distantsi kombinatsioon.”

Põhjus, miks astronoomid tuginevad raadiolainetel, mitte nähtaval või infrapuna kiirgusel, on mustade aukude kahekorde luuramine. Esiteks, Maa pealt Linnutee vaatlemine nõuab piilumist otse läbi Galaktika tasandi. Raadiolained on võimelised läbima tuhandete valgusaastate-vanuseid tähti, gaasi ja tolmu, mis takistavad vaadet. Teiseks, optilise teleskoobi kombineerimine virtuaalteleskoobiga ei ole teadurite sõnul teostatav.

Ainult väga hiljutised tehnoloogilised eelised on teinud võimalikuks mitte ainult salvestada raadiolaineid täpselt õigel lainepikkustel, kus nad ei häiri veeauru atmosfääris, vaid samuti kindlustab ka ülitäpse ajastamise ühele mõjualale, kus on vajalik kombineerida vaatlused erinevatest teleskoopidest, mis painevad üksteisest tuhandete kilomeetrite kaugusel.

Iga teleskoop salvestab andmed kõvaketastele, mis kogutakse ning toimetatakse füüsiliselt MIT’i Haystack Observatoooriumis asuvasse kesksesse töötluskeskusesse. Raadioteleskoopide kokku toomine üle kogu maailma nõuab võrdselt ka globaalse meeskonna jõupingutusi.

Musta auku langemise protsess. 1. Päikese sarnane täht läheneb mustale augule. 2. Musta augu gravitatsiooniväli mõjutab tähte loodelista jõududega, mistõttu täht venitatakse pikaks joaks. 3. Tähe aine kogunemine musta augu ümber, millest moodustub akretsiooniketas. 4. Magnetväljade toimel kiiratakse osa ainest välja, mida on raadioteleskoopidega võimalik vaadelda. Pilt: NASA/Goddard Space Flight Center/Swift

Märtsi lõpul nähti gammasähvatust Swift J1644+57. Tavaline gammasähvatus kestab mõni sekund ning sellele järgneb järelhelendus, mis võib kesta päevi. Swift J1644+57 oli intensiivne, muutliku heledusega ja kauakestev, niisugust nähtus tavalise gammasähvatusega seletada ei saa.

Natuke aega hiljem vaadeldi sama taevapiirkonda ka raadio spektripiirkonnas, kastuades EVLA (Expanded Very Large Array) raadioteleskoope. Selle käigus avastati galaktika kõrval raadiolainete allikas, mis kasvas kiirusega umbes pool valguse kiirust. Varem pole vaadeldud niisuguse allika vahetut teket.

Galaktika, kus sündmus aset leidis, asub punanihkel 0.354. Teadlased arvutasid, et punanihkeni 6 on võimalik taolisi sündmuseid avastada.

Galaktika tsentris olevasse musta auku kukkuv täht annab aimu keskse musta augu kohta ning võimaldab uurida aktiivseid galaktikaid. Aktiivsed galaktikad on galaktikad, mis kiirgavad mõningal määral mittesoojuslikku kiirgust.

Supernoova 1979C galaktikas M100. Pildil toodud galaktikas võib asuda meie kosmilise naabruskonna kõige noorem must aukt. Fotol on Chandra’s röntgenkiired kuldsed; ESO VLT optilised vaatlused on punased, rohelised ja sinised; ning Spitzeri infrapunaandmed on punased. Supernoova SN 1979C asukoht on märgistatud noolega. Foto: röntgenkiired: NASA/CXC/SAO/D.Patnaude et al; optiline: ESO/VLT; infrapuna: NASA/JPL/Caltech.

30-aastane objekt on SN 1979C, M100 galaktikas (Maast umbes 50 miljoni valgusaasta kaugusel) asuva supernoova  jäänus. SN 1979C avastas arvatavasti 1979. aastal amatöörastronoom.

Tekkinud must auk võib aidata teadlastel massiivsete tähtede plahvatamisest paremini aru saada.  Uuringu kaasautor Abraham Leb ütleb, et tegemist on esimese korraga, kui on olnud võimalik jälgida musta augu normaalset teket, kuid seda tüüpi musta augu sündi on väga raske kindlaks teha ning see nõuab aastakümnete pikkuseid röntgenteleskoopide vaatlusi.

Leiu kohta on tehtud animatsioon, mis näitab, kuidas see must auk võib tekkinud olla:
Animatsioon musta augu tekkimisest

Uurimuse tulemused ilmuvad lähiajal ajakirjas New Astronomy.

Enamike suurte galaktikate, kaasa arvatud Linnutee, keskmes asub supermassiivne must auk. Samuti sisaldavad galaktikad kerasparvi, mis koosnevad tihedalt koos olevatest äärmiselt vanadest tähtedest. Siiski asuvad sellised kerasparved galaktika keskmest kaugel, seega oli nende vahelise korrelatsiooni avastamine võrreldav üllatusega, kui keegi oleks avastanud, et linna kõrgeim pilvelõhkuja on täpselt sama kõrge, kui palju on ümbritsevates metsades puid. Teadlased paljastasid, et mida suurem must auk galaktika keskmes asetseb, seda rohkem kerasparvi galaktika sisaldab.

ESA Väga Suure Teleskoobi poolt tehtud foto M87 galaktikast. Sinist udu seostatakse galaktika keskmes oleva hiiglasliku musta auguga. Foto: ESA

“Harilikult on inimesed üritanud siduda musta augu massi väga ilmsete omadustega. Meie aga mõtlesime, et miks mitte proovida midagi, mis on justkui tühjast õhust võetud. Kus keegi ei arvaks, et nähtuste vahel on seotus”, ütles Andreas Burkert, Müncheni ülikoolist.

Burkert uuris koos Scott Tremaine’iga Princetoni Arenenud uuringute Instituudist, kolmeteist galaktikat viimase sõnul “lihtsalt lõbu pärast.” Üheksa uuritavatest galaktikatest olid elliptilised, üks nendest tihedate haarmetega spiraalgalaktika, mil ülejäänu moodustasid S0 galaktikad. S0 tüüpi galaktikad on omamoodi elliptiliste- ja spiraalgalaktikate hübriidid.

Teadlaste üllatuseks allusid aga kõik 13 galaktikat musta augu massi ja kerasparvede arvu korrelatsioonile. Uus avastatud suhe on isegi otsesem ja selgem, kui teised siiani avastatud seosed. “Ma usun, et see korrelatsioon ütleb meile midagi fundamentaalset. See on niivõrd hea suhe, mis viitab sellele, et kerasparvede ja mustade aukude kasv on seotud”, tunnustas teadlaste uurimust John Kormendy, Texase ülikooli astronoom. Kuna kerasparved ja hiiglaslikud elliptilised galaktikad koosnevad mõlemad harilikult vanadest tähtedest, arvab Kormendy, et nende vaheline seos peitub vahetult pärast Suurt Pauku valitsenud erilistes tingimustes.

Burkert ja Tremaine arvavad, et korrelatsioon võib tuleneda galaktilistest kokkupõrgetest. Kui kaks gaasirikast galaktikat kokku põrkavad, imetakse gaas nende keskmetes olevatesse mustadesse aukudesse, mis kergitab tublisti nende massi. Selliste kokkupõrgete käigus võivad tekkida ka kerasparved, nagu astronoomid Varese tähtkuju kvadrandis paikneva kahe spiraalgalaktika kokkupõrkel leidnud on.

“Ma leian selle väga huvitava oleva. See võib anda meile vihje, kuidas mustad augud galaktikate keskmes tekivad,” ütles Jeremiah Ostriker Princetoni ülikoolist, kes uurimuses ei osalenud. Ostriker pakub samas suhte selgitamiseks veidi teistsuguse teooria. Kui kerasparved ümber galaktika tiirlevad, läbivad nad ka tumeainet, mis “varastab” osa kerasparve orbitaalsest energiast dünaamilise hõõrdumise tõttu. Lõpuks upub seetõttu kerasparv musta auku, suurendades sellega augu massi. Seega on järelikult galaktikas juba algusest peale rohkem kerasparvi ning seega saab ka rohkem neist keskmes olevasse musta auku kaduda, nagu Burkert ja Tremaine leidsid.

Burkert ja Tremaine väidavad, et korrelatsioon ei peegeldu ainult galaktika suuruses ega heleduses. Näiteks ühe uuritud galaktika, M87 keskmes olev must auk kaalub rohkem kui 6 miljardit Päikest ning galaktikas leiduvate kerasparvede arv küünib 15,000. Samas aga Formax A, mille heledus on sama suur kui M87, supermassiivse musta augu mass on kõigest 150 miljonit Päikese massi ja kerasparvede arv 1,200.

Siiski ei kehti uus seos Linnuteel, kuna meie galaktika on hõre spiraalgalaktika. Galaktika keskmes oleva musta augu mass on kõigest neli miljonit Päikese massi ning kerasparvi 160. Samas sobitub Linnutee kaksikõde, tihe Andromeda spiraalgalaktika, korrelatsiooniga ideaalselt.

Allikad:
PhysicsWorld: “Supermassive black holes reveal a surprising clue.”
The Astrophysical Journal: “A correlation between central supermassive black holes and the globular cluster systems of early-type galaxies.”
Teadusuudis Eesti Füüsika Portaalis: Massiivsete mustade aukude ja kerasparvede salasuhted

Utrechti Ülikooli tudeng Marianne Heida avastas oma viimase bakalaureuse kraadi saamiseks tehtava projekti käigus veidra tähe, rohkem kui 500 miljoni valgusaasta kaugusel asuvas galaktikas. Avastuse tegemiseks pidi ta kõrvutama sadu tuhandeid juhuslikult valitud röntgenkiirguse allikaid miljonite galaktikate positsioonidega.

Hubble'i pildil on välja lennutatud must auk tähistatud punase sõõriga. Foto: Hollandi SRON kosmoseuuringute instituut.

Tavaliselt sisaldab iga galaktika oma keskmes supermassiivset musta auku, mis vahete-vahel röntgenkiirguses särama lööb. Ent täht, mille Heida avastas, paiknes galaktika keskmest kaugel. Siiski oli objekt röntgenkiirtega vaadeldes nii ere, et seda sai kõige paremini võrrelda ainult ereda supermassiivse musta auguga.

Harilikult galaktikate keskel paiknevad supermassiivsed mustad augud kaaluvad rohkem kui miljard Päikest. Nii rasked objektid võivad keskmest nii kaugel leiduda ainult juhul, kui mingisugune sündmus on massiivse keha galaktika keskmest välja lennutanud. Üheks võimaluseks on kahe musta augu ühinemine. Uus moodustunud must auk “tulistatakse” süsteemi keskelt suurel kiirusel välja.

“Galaktilise kuuli” kiiruse hinnangud on seni rajanenud pelgalt ennustustele, ent täpsed arvutused on alles hiljuti võimalikuks saanud. Nimelt nõuavad sellised simulatsioonid äärmiselt võimsaid arvuteid. Uued arvutused paljastavad, et uue musta augu kiirus sõltub peamiselt kahe ühineva musta augu kiirusest ja suunast, kuidas nad ümber oma telje enne ühinemist tiirlevad. Nähtust võiks võrrelda kahe pöörleva piljardikuuli vahelise kokkupõrkega, ainult, et kuulid jäävad pärast kokkupõrget üksteise sisse.

Heida tehtud uuringutulemus on arvatavasti ainult jäämäe tipp. “Me oleme leidnud veel rohkem sellist tüüpi veidraid röntgenkiirte allikaid. Siiski vajame me kõigepealt NASA Chandra satelliidi poolt tehtavaid täiendavaid mõõtmisi,” ütles tudeng. Rohkemate galaktikate keskmest väljapaiskuvate mustade aukude leidmine aitab paremini mõista mustade aukude omadusi, enne kui need ühinevad.

Tulevikus võib olla võimalik seda protsessi planeeritava LISA satelliidiga isegi otseselt vaadelda. Astronoomid loodavad satelliidiga mõõta seni hüpoteetilisi gravitatsioonilaineid, mida kaks ühinevat musta auku ühinedes kiirgavad. Saadav informatsioon peaks kinnitama või ümber lükkama teooria, et supermassiivsed mustad augud on kergemate mustade aukude ühinemise tulemus.

Allikad:
Hollandi SRONi kosmoseuuringute instituut: “Astronomers find recoiling super-massive black hole.”
Teadusuudis Eesti Füüsika Portaalis: Astronoomid avastasid galaktikast välja lennutatava supermassiivse musta augu

Kuigi astronoomid arvavad teoreetilistel kaalutlustel, et iga suure galaktika keskmes asub ülimassiivne must auk, oli seni vaatluslikult seda kinnitatud vaid meie Galaktika ehk Linnutee suhtes. Üksiktähe liikumiskiirusest ümber keskme saame kindlalt järeldada miljonite Päikeste massiga musta augu olemasolu. Nüüd on vaatluslikult näidatud musta augu olemasolu ka Linnutee naabruses asuva galaktikate Skulptori grupi heledaima galaktika NGC 253 jaoks. See on ainuke suur spiraalgalaktika Skulptori galaktikagrupis, mille kaugus on 11.4 miljonit valgusaastat ja heledus 7.1 tähesuurust, olles seega nähtav juba tagasihoidlikus binoklis.

Mustad augud pole väheses tähetekkes süüdi

Suure massiga, aga galaktikaga võrreldes mõõtmetelt tühine must auk neelab aja jooksul endasse galaktika keskme juures oleva gaasi ja tolmu. Kus gaasi ja tolmu on vähe, seal peaks uute tähtede teke seiskuma. Nii tavaliselt ongi: galaktikate keskel on vaid vanad tähed, samal ajal noori tähti tekib hulga gaasirikastes spiraalharudes. Seni arvati, et sellise tähetekke erinevuse üheks põhjuseks on must auk galaktikate keskel. 177 aktiivse tuumaga galaktika uurimine viitab siiski, et mustad augud ei ole põhjuseks väheses tähetekkes, sest täheteke on neis galaktikates reeglina seiskunud varem kui aktiivsed tuumad (mille keskel asuvad mustad augud) oma suurima võimsuseni on jõudnud. Igatahes on seos galaktika ja tema keskel asuva ülimasiivse musta augu vahel hulga keerulisem kui varem arvati.

Must auk oli enne, galaktika alles pärast?

Üsna hästi kindlaks tehtud seos galaktika keskel asuva ülimasiivse musta augu massi ja galaktika enese põhilise osa nn põhikeha (vahel eesti keeles ka mõhnaks nimetatud) massi vahel viitas sellele, et must auk ja galaktika on arenenud käsikäes ning kosmoloogiline muna-kana probleem püsis lahendamata. Sealjuures musta augu mass oli ligi tuhandik galaktika mõhna massist. Teleskoobid ja muu vaatlustehnika on aga olnud pidevas arengus ning asja on õnnestunud mõõta sama seost masside vahel hulga kaugemas (seega ka varasemas) Universumis. Üllatusega selgus, et kui Universum oli vaid miljardi aasta vanune (praegu 13.7 miljardit aastat), siis olid ülimasiivsete mustade aukude ning nende emagalaktikate masside suhe hoopis suurem. Ilmne on järeldus, et mustad augud kujunesid varem välja kui galaktikad, mille keskel nad peituvad. Igal juhul peavad astronoomid loobuma senisest selgena tundunud seosest galaktika ja selle keskmes asuva musta augu vahel.

Astronoomid on juba tükk aega veendunud, mitut liiki mustade aukude olemasolus. Vaatlustest on olnud näha tähesuuruse musta augu ümber tiirleva aine kadumist musta augu lõkspinna taha. Seekord on tegemist mitme miljoni Päikese massiga musta augu tuvastamisega, kuigi mitte aine langemisena musta auku vaid augu enese varjutamisena satelliidi liikumise käigus.

Selline varjutus võimaldas mõõta musta augu akretsioonketta läbimõõtu, mida otse teleskoopidega suure kauguse tõttu ei õnnestu teha. Läbimõõt osutus olema ligi 7 astronoomilist ühikut , galaktika enesega võrreldes tühine suurus. Seda galaktikat kahtlustati juba varem musta augu olemasolus, sest ta kuulus nn aktiivsete galaktikatuumade hulka, kus toimub tormiline aine langemine musta augu sisse ja suunatud kiirgus pooluste suunas.