AZ UNIVERZUM REJTÉLYEI – A titokzatos fekete lyukak

A fekete lyukak igen érdekes képződmények, még azok fantáziáját is megmozgatják, akik amúgy nem sokat törődnek a fizikával, csillagászattal. Megpróbálom összegyűjteni ebbe a cikkbe mindazt, amit a fekete lyukakról eddig feltárt a tudomány.

Nem könnyű feladat. A fekete lyuk ugyanis nem hajlandó magáról elárulni semmi mást, mint a forgását, a tömegét és az elektromos töltését. Szerencsére vannak megfigyeléseink, igaz nagyon szerény eredményekkel, és azután ott vannak a matematikai egyenletek. Legfőképpen ezekre támaszkodhatunk, főleg Einstein relativitás elmélete. Ennek a nagy titoknak, amely a fekete lyukakat körüllengi az az oka, hogy képtelenek vagyunk bepillantani az eseményhorizont mögé. A Csillagok között c. filmben a megoldást éppen az hozza el, hogy a főhősöknek sikerül átjutni a horizonton, és onnan adatokat kijuttatni a szingularitás természetéről. Ám mielőtt nagy szavakkal dobálóznék, az első, hogy tisztázzuk, hogyan keletkeznek a fekete lyukak.

 

A Gargantua nevű fekete lyuk a Csillagok között c. filmben

 

Fekete lyuk elvileg bármiből lehet, csak megfelelő arányban kell lennie a tömegének és a sugarának, hogy a gravitációja olyan erős legyen a felszínén, hogy a szökési sebesség elérje a fénysebességet. Ezt az összefüggést fejezi ki a schwarzschild-sugár. Egy Nap tömegnyi anyag esetén ez 3 km. Ha csak annyi anyagot akarunk összesűríteni, mint a Mt. Everest, akkor az körülbelül egy protonnyi. Ha azonban 3 milliárd Naptömeggel számolunk, akkor az átmérője már akkora, mint a Neptunusz pályája.

Valójában fekete lyuk leggyakrabban óriáscsillagok pusztulásakor keletkezik. Ezek legalább 10 Naptömegűek, és szupernóva robbanással pusztulnak el. A csillag élete végén, amikor szuperóriás fázisban van (Ilyen a Betelgeuse az Orionban, vagy az Antares a Skorpióban) a csillag magjában a fúziós folyamatok során vas képződik. A vas nukleáris értelemben hamu. Nem termel energiát a fúziója. Éppen ezért, amikor a csillag magjában minden elem vassá alakul, leáll a fúzió, megszűnik a kifelé ható sugárnyomás. Szupernóva robbanás történik, és a csillag magját pedig a gravitáció fekete lyukká roppantja össze, azaz most már tudjuk, hogy az anyaga schwarzschild-sugárnál kisebb ponttá zsugorodik, egy szingularitássá.

 

Óriáscsillagok mérete a Naphoz viszonyítva

Szupernova robbanás:


De mi voltaképpen a fekete lyuk?

Leginkább egy pólusain belapított gömbhöz hasonló zóna, az eseményhorizont, és mögötte a szingularitás. Egy anyagot elnyelő fekete lyuk szerkezete a következő: Egy szuperforró gázokból álló akkréciós korong övezi, ez egy anyagbefogási korong, ahol a benne lévő gáz spirál alakban haladva a fekete lyukba hull. A fellépő súrlódástól igen magas hőmérsékletre hevül. A fekete lyuk pólusai mentén úgynevezett Jet-ek lövellnek ki, ezek a mágneses mező által fénysebességre gyorsított részecskékből állnak.

Amennyiben a fekete lyuk forog is, kialakul egy statikus határ, amelyben minden a tércsavarodás hatása alá kerül. A tér és az idő eltorzul, olyanféleképpen, hogy a fénysugarak elhajlanak a fekete lyuk felé, az idő pedig lelassul. A fény hullámhossza a vörös felé tolódik el. Ez a gravitációs vöröseltolódás. Ezen belül található az eseményhorizont, amelyet átlépve nincs többé visszaút. Az eseményhorizontot egy izzó Hawking-sugárzást kibocsátó légkör veszi körül. Ha az anyag átjut az eseményhorizonton, az örökre elveszik. Az eseményhorizonton belül létezik egy határ ez a Cauchy-horizont, amely valahol az eseményhorizont és a szingularitás között van, itt válnak semmissé az általunk ismert fizika törvényei. A centrumban a szingularitás található, amely talán nem egyéb, mint végtelenül görbül téridő csomó. Egyes elméletek szerint miközben az anyag az eseményhorizont felé zuhan, transzformáción esik át és megfagy (kvantumértelemben), egyfajta héj alakul ki a szingularitás körül.

 

Fekete lyuk, akkréciós korong és JET

 

A klasszikus elméletek szerint a fekete lyuk az, amit fentebb leírtam. Egy összeomlott csillag maradványa, ahol a szökési sebesség meghaladja a fényét. Az eseményhorizonton megáll az idő, a fekete lyukban pedig a tér és az idő széthasad oly módon, hogy térről lehámlik az idő. Ennek eredménye a téridőhab, mely olyan, hogy a tér elemeire bomlik, végtelenül eltorzult, görbült, az időnek pedig nincs meghatározott iránya. A tér a kvantumgravitáció szabályai alá kerül, véletlenszerű habbá alakul. Az elmélet ezen része nem ellenőrizhető, mivel nem látunk át az eseményhorizonton, tehát adatokat sem tudunk kiolvasni. Az Einstein-egyenletek a fekete lyukban csődöt mondanak. Ott a kvantumgravitáció-elmélet az úr. A probléma az, hogy mindaddig, míg a relativisztikus egyenleteket nem tudjuk házasítani a kvantumgravitációval, addig a gravitáció-elmélet nem teljes.

 

37 valószínűsíthető fekete lyuk ötvenezer fényéven belül

 

Más vélemények szerint a fekete lyuk nem egyéb, mint testetlen tömeg, végtelenül görbült tér, mely anyag nélküli. A fekete lyukba sajnos nem tudunk belesni, így nem tudjuk ezt sem ellenőrizni, nem figyelhetjük meg a központot, a szingularitást, ahol a relativitás elmélet is csődöt mond. A fekete lyuknak hőmérséklete is van, és Hawking-sugárzást bocsát ki. Erre a nevezett tudós jött rá. A Hawking-sugárzás úgy keletkezik, hogy az eseményhorizont rendkívüli gravitációja a vákuumból egy anyag-antianyagpárt kölcsönöz, és az anyagot elnyeli, míg az antianyag elszökik. Így a fekete lyuk párolog, mivel az elszökő antianyag részecske energiát visz el a fekete lyuktól.

Vannak olyan érdekes elméletek, melyek azt tárgyalják, hogyan lehet bejutni a fekete lyukba és mi történik odabent. Egy kicsi néhány tíz Naptömegű fekete lyuk eseményhorizontja erősen görbült, ellenben egy olyané, mint amely a Tejút közepén van (4 millió Naptömeg) vagy az M87 galaxis közepén (3 milliárd Naptömeg) eseményhorizontja olyan kis ívben görbült, hogy elméletben, kényelmesen át lehet rajta haladni. A belépő anyag persze fénysebességre gyorsul, majd átlépve a horizontot, a szingularitás felé zuhan (ha nincs a fekete lyukban anyag), és egyszerűen átesik rajta. A másik oldalon kilép – ez a fehér lyuk. Ha a fekete lyukban van anyag, akkor az belül hevesen örvénylik, és a belépő anyag ütközik vele, így nem valósulhat meg, hogy átesik. Hogy igaz lehet-e ez nem tudjuk. Tetszetős elmélet. Az eseményhorizonton belül egyfajta tükörvilág van. A fénysugár útja körré hajlik, és az eseményhorizonton belül örvénylik.

 

 

Ezen elmélet kiegészítője az Einsein-Rosen híd, mely azt taglalja, hogy a fekete lyukakban az anyag nem egy ponttá zsugorodik, hanem egy gyűrűvé, mint egy fánk, melynek igen érdekes tulajdonságai vannak. Ha egy szondát lőnénk a fekete lyukba, az a gyűrűnek csapódva megsemmisülne, ha azonban a pólus felől közelítene igen nagy, de nem végtelen görbületet tapasztalna. Egy ilyen forgó fekete lyukon át lehetne így haladni, ez lenne a féregjárat. Bent igen érdekes tükörvilágot tapasztalnánk, mert a fekete lyukban olyan fény keringene, amely már nem is létező dolgokat tükröz, úgy, mint a tükörteremben, ahol a fény körbepattog a falakon lévő tükrökön.
A forgó fekete lyuk tércsavarodása mellesleg az időutazás eszköze is lehet. Számtalan elmélet foglalkozik ezzel.

A fentebb leírtak java része matematikai elméleteken alapul. Mint leírtam, az elméletek nehezen ellenőrizhetők, mert nem látunk bele a fekete lyukba. A sci-fi írók azonban bőséges ihletforrást találnak ezekben az elméletekben. A már említett Csillagok között meglehetősen jól ábrázolja a problémát, vagyis, hogy nem tudjuk összeegyeztetni a gravitációt és a kvantummechanikát, nincsenek olyan egyenleteink, amelyek leírnák Einstein általános relativitáselméletét a kvantumosság világában.

A filmkészítők egyébként meglehetősen szabadon kezelték a benti világ látványát, de hűen adták vissza a fekete lyuk környezetét, a körülötte keringő bolygón bekövetkező gravitációs időlassúbbodást, amely teljes összhangban van az einsteni relativitáselmélet elemeivel.


Jelenet a Csillagok között című filmből:


Az első felfedezett fekete lyuk a Cygnus X-1 volt a Hattyú csillagképben, azóta számos helyen fedeztek fel a csillagászok fekete lyukat. Többek között a Tejút centrumában. Az Úgynevezett S csillagok igen gyorsan keringtek látszólag a „semmi” körül. A keringés sebességét ismerve kiszámolták a tömeget, és ilyen nagy tömeg olyan kis helyen nem lehetett más csak fekete lyuk. A feltételezések szerint minden galaxis középpontjában van fekete lyuk. Ezek közül sok aktív, azaz anyagot nyel el, és a pólusok mentén fénysebességű Jet-eket lövell ki a világűrbe, melyek több ezer, sőt több tízezer fényév hosszúak is lehetnek. Az ilyen aktív galaxisok a kvazárok.

Egyébként a fekete lyukakat 3 csoportba osztják. A mikro fekete lyukak, melyek elemi részecske méretűek, és tömegük néhány tonnáról indul felfelé. (ezeknek létét még nem igazolták, részecskegyorsítókban keresik őket.) Aztán ott vannak a csillagok pusztulásakor keletkezettek, ezek 3 Naptömegről indulnak. Végül a galaxisok középpontjaiban a néhány százezertől néhány milliárd Naptömegű fekete lyukakig.

A fekete lyukak gyakran össze is olvadnak. Ilyenkor spirális pályán, gyorsulva közelednek egymáshoz, majd eseményhorizontjaik mentén összeolvadnak. Hatalmas energia szabadul fel ilyenkor gravitációs hullámok formájában, melyeknek létét nemrég igazolták.


Összeolvadó fekete lyukak:

 


Garzó László


Forrás:

astrobob.areavoices.com

calgary.rasc.ca

 

Ha tetszett a cikk, kérlek oszd meg másokkal is: