5 érdekesség a fekete lyukakról

Fekete lyukak – az univerzum különös részei, amik mindent elnyelnek ami a közelükbe kerül, és sosem engedik azt megszökni. Még a fény sem távozhat belőlük, ezért korom feketék; mégis, néhány érdekes dolgot azért tudunk róluk. Következzen öt különös tény a fekete lyukakról.

„Egyesek szerint a tények néha minden képzeletet felülmúlóan furcsák. A megállapítás semmi másra sem igazabb, mint a fekete lyukakra.” – Stephen Hawking

A fekete lyukak nem kimondottan lyukak a szó szoros értelmében, hanem inkább bizonyos területek az űrben, melyekbe ha valami belép, többé nem léphet ki onnan. Valaha minden fekete lyuk egy csillag volt: hatalmas, nagyon nehéz, és gázok égetésével tartott ellent a erős gravitációjának. Mikor élete végén kifogyott ezekből a gázokból, többé nem tudott ellenállni, és összeomlott a saját gravitációja alatt. Ekkor a csillag egésze egyetlen kicsi pontba sűrűsödött össze, ahol akkora gravitáció jött létre, hogy azt semmi sem tudta legyőzni, ami a közelébe kerül. Létrejött a fekete lyuk, amelynek belsejéből semmi, még a fény sem távozhat.

Már évszázadokkal ezelőtt felmerült a létezésük

Az első fekete lyukakról szóló írásos forrás szerint John Michell brit természetfilozófusban merült fel először a fekete lyukak ötlete 1783-ban. Ekkor még nem így nevezték őket: Michell a sötét csillag kifejezést használta, ugyanis hipotézise szerint egyes csillagok az univerzumban annyira nehezek lehettek, hogy a fény sem tudta legyőzni a gravitációjukat.

Ötletét arra a tényre alapozta, hogy ha például egy ágyúgolyót kilövünk az égbe, egy idő után lelassul, és visszaesik. Ez a Föld gravitációja miatt történik, az ugyanis nagyobb erővel húzza vissza az ágyúgolyót, mint amilyen sebesen mozog a tárgy. Azonban, ha az ágyúgolyó meghaladna egy bizonyos sebességet, az úgynevezett szökési sebességet, akkor kiszabadulna a Föld vonzásából. Ez a szökési sebesség minden égitesten más, mert az adott objektum tömegétől függ. Mivel egy fekete lyuk hihetetlenül nehéz, Michell elképzelése szerint belsejében a szökési sebesség nagyobb lenne a fénysebességnél, ezáltal a fény sem jutna ki onnan. 

A sötét csillag elnevezés később egyébként fagyott csillagra módosult, utalva ezzel a fekete lyukak keletkezésére, majd 1964-ben használták először a jelenlegi nevüket.

Valami mégiscsak kijön belőlük

A fekete lyukakkal kapcsolatban sokáig az volt a konszenzus, hogy semmi, de semmi sem távozhat belőlük. Stephen Hawking ezzel szemben érdekes felfedezésre jutott 1974-ben, miközben a kvantummechanika elméletének segítségével próbálta vizsgálni a fekete lyukakat. 

Számításai szerint (melyeket az eredményen megütközve többször is megismételt) a mindent elnyelő, rejtélyes objektumok sugárzást bocsátottak ki: ez a Hawking sugárzás. Hawking a Rövid válaszok a nagy kérdésekre című művében leegyszerűsítve magyarázza el a jelenséget. 

A kvantummechanika szerint az univerzum tele van a semmiből előbukkanó részecskékkel, melyek megjelenésekor egy anti-részecske pár is megjelenik. A pozitív (+) részecske nyomban össze is ütközik a negatív (-) anti-részecskével, és a pár ezáltal megszűnik létezni. Abban az esetben azonban, ha egy részecske – anti-részecske pár egy fekete lyuk határán jelenik meg, a pár egyik tagja beleeshet a fekete lyukba, míg a másik tagja megmenekülhet. Ha a pozitív tag menekül meg, a külső szemlélő számára úgy tűnik, mintha a fekete lyuk maga termelt volna egy részecskét. Sőt, mivel a negatív tag egy anti-részecske, a fekete lyukba beesve elvesz annak energiájából. Hawking szerint idővel a fekete lyuk veszíthet az energiájából és ezáltal a súlyából, végül pedig akár meg is szűnhet létezni. 

Azonban ennek időtartama valószínűleg meghaladná az univerzum jelenlegi korát, vagyis egyelőre még nem következhetett be. Ami a Hawking sugárzást illeti, bár a számítások helyesnek tűnnek, gyakorlati módszerekkel még nem igazolható a létezése. Ehhez sokkal fejlettebb műszerekre lenne szükségünk, így a bizonyíték még várat magára.

Hawking-sugárzás: a részecskepár egyik tagja a fekete lyukba esik, a másik megmenekül. / youtube.com

Igazat adtak Einsteinnek

Albert Einstein 1915-ben készítette el az általános relativitáselméletét. Ebben egy igen hihetetlen állítást tett: a három térbeli dimenzióból, és a negyedik idődimenzióból álló téridő nem sík, hanem görbült. Görbületét a benne lévő objektumok (pl. bolygók, csillagok, fekete lyukak) okozzák, amik képesek más objektumokat, vagy éppen a fényt eltéríteni az útjukról. 

A téridő görbületét valahogy úgy kell elképzelni, mintha egy kifeszített lepedő közepére valami súlyt helyeznénk, ettől létrejönne egy mélyedés, és bármilyen tárgy, amit ezután a lepedőre tennénk, a mélyedés felé mozogna. A Földet a Nap által létrehozott mélyedés tartja a pályáján, a Holddal pedig a Föld által képzett mélyedés teszi ugyanezt. Ha valamilyen változás éri a téridő szerkezetét, akkor fodrozódni kezdhet, ugyanúgy mint a víztükör, ezáltal gravitációs hullámok jöhetnek létre. 

Einstien jóslata a gravitációs hullámok létezéséről több mint száz évvel később bizonyosodott be minden kétséget kizáróan. 2016-ban ugyanis a Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detektorai a történelemben először észleltek gravitációs hullámokat, amelyeket nem más hozott létre, mint egy fekete lyuk pár. Ez egészen pontosan két egymás körül keringő fekete lyuk volt, melyek egymás hosszas kerülgetése után összeolvadtak egyetlen gigászi fekete lyukká. Forgás közben olyan erős gravitációs hullámokat gerjesztettek, hogy még a földi detektorok is észlelték őket. Einstein elmélete tehát helyes volt: a téridő görbült, és léteznek gravitációs hullámok.

A téridő görbületének ábrázolása. / esa.int

Lebontják a fizika törvényeit

Stephen Hawking a Rövid válaszok a nagy kérdésekre című művében beszél bővebben a fekete lyukak furcsa tulajdonságairól. Kifejti, hogy az általunk ismert fizika törvényei egyszerűen megszűnnek létezni a fekete lyukak belsejében. 

Már a keletkezésük is problémás: egy csillag összeomlásakor annak teljes egésze egyetlen pontba koncentrálódik, és abban a pontban végtelenül nagy az anyag sűrűsége. Ezt hívják szingularitásnak

Hogy lehet valaminek a sűrűsége végtelenül nagy? Lehetetlenül hangzik, ezért Albert Einstein például el is utasította az ötletet. Más tudósok, mint Robert Oppenheimer vagy Roger Penrose viszont bebizonyították, hogy a szingularitás igenis létrejön. Ez azért problémás, mert a szingularitásban végtelenül nagy lenne a téridő görbülete, és mind a tér, mindpedig az idő megszűnne létezni. 

Az úgynevezett információvesztés egy másik furcsaság ami a fekete lyukakra jellemző. Mivel a fény nem tud távozni belőlük, nem láthatjuk, mi van a belsejükben. Sőt, látszólag semmilyen információval nem rendelkezünk arról, hogy mi esett beléjük. Ha elnyelne minket egy fekete lyuk, az olyan lenne, mintha megszűnnénk létezni: az összes minket alkotó információ elveszne. Ez ellentmond a fizika törvényeivel kapcsolatos elképzeléseinknek, ezért a jelenséget információs paradoxonnak is nevezik. 

Bár a tudósok nagy erőkkel keresnek egy alkalmazható modellt, amelyben a fekete lyukba hullott információ nem vész el, a rejtély máig megoldatlan.

Kép a Messier 87 galaxis közepében található fekete lyukról. / nasa.gov

Választ nyújtanak egy rejtélyre

Világegyetemünk 96%-át olyan anyagok és energiák alkotják, melyeket nem láthatunk: sötét anyag (22%) és sötét energia (74%). Tudjuk, hogy léteznek, hiszen számos mérés és egyéb bizonyítékok is erre utalnak – például az is, hogy az univerzum bizonyítottan tágul, és ráadásul egyre gyorsabb ütemben

Ezt valószínűleg az okozza, hogy a sötét energia antigravitációs hatást gyakorol a különböző objektumokra, így mindent egyre távolabb taszít minden mástól. A kérdés, hogy hogyan teszi mindezt, vagy hogy pontosan miből is áll a sötét energia illetve a sötét anyag máig megválaszolatlan marad. 

2021-ben azonban érdekes feltevéssel álltak elő a Yale, a Miami Egyetem és az Európai Űrügynökség kutatói: talán miniatűr fekete lyukakat kellene keresnünk szerte az univerzumban. Úgy gondolják, az ősrobbanás idején egyenetlenül eloszló anyagok kisebb fekete lyukakat hozhattak létre, melyek a mai napig jelen vannak körülöttünk. Ezek mérete és súlya nem elég jelentős ahhoz, hogy észlelhessük őket, és éppen ezért kiváló sötét anyag jelöltek. Mindezt azonban még be is kell bizonyítani. A kutatók azt remélik, hogy a James Webb űrtávcső az elkövetkezendő években képes lesz majd megfigyelni a korai univerzum folyamatait, és választ ad kérdésünkre.

Mint láthattuk, a fekete lyukak valóban felülmúlják minden képzeletünket. Mára már bebizonyítottuk a létezésüket, megismertük a keletkezésük módját, láttunk már egymással táncoló fekete lyukakat és fotót is készítettünk róluk, de igen keveset tudunk arról, hogy mit is rejtegetnek határaikon túl. A fekete lyukak kutatása ezért számos kérdést megválaszolhat, és érdekesebbnél érdekesebb információkat tartogathat még számunkra.

Borítókép: VICTOR DE SCHWANBERG / SCIENCE PHOTO LIBRARY / VSC VIA AFP