Ott, kint

A fizika, főleg a modern fizika tele van rejtélyekkel, amelyek igazán érdekesek és izgalmasak lehetnek egy természettudományok iránt kicsit is érdeklődő számára. Ilyen rejtélyes dolog a fekete lyuk is, amiről még a mai napig is vitatkoznak a tudósok, igazából csak nemrég kezdett körvonalazódni, valójában mik is lehetnek ezek a furcsa képződmények. Egyesek szerint soha semmi nem juthat ki belőlük, míg Stephen Hawking húrmodellje szerint igenis információ szabadulhat ki ezekből a mindent beszippantó, hatalmas gravitációs erővel bíró valamikből. (Persze a húrelmeélettel nem mindenki ért egyet.)

Utánanéztünk, hogy jelen álláspont szerint, jelenlegi ismereteink birtokában mik is a fekete lyukak. (Ha valakit bővebben érdekel a modern fizika és megfelelő alaptudással, ismeretekkel rendelkezik a témában, akkor olvassa el Stephen Hawking Az idő rövid története című könyvét. Ha pedig a természettudományok - fizika, kémia, biológia - közötti összefüggésekre szeretnénk rálátni, akkor John és Mary Gribbin A természettudományokról mindenkinek című kötetét vegyük a kezünkbe.)

Téridő - négy dimenzió

Einstein rávilágított arra, hogy a téridő nem egy önmagában, az anyagtól függetlenül létező dolog, hanem szerkezetét a benne lévő anyag határozza meg. Ezért szokták a téridőt egy kifeszített gumilepedővel szemléltetni, ami a ráhelyezett tömegtől behorpad. A téridő négydimenziós - három tér és egy idő dimenzióból áll. A gumilepedőn a tömegtől távol a téridő síknak tekinthető, viszont a tömegek hatására begörbült területeken a téridő elhajlik. A nagy tömeggel rendelkező fekete lyukak is eltorzítják a téridőt.

Mi is a fekete lyuk?

Fekete lyukaknak az olyan égitesteket nevezzük, amelyek felszínén a szökési sebesség eléri vagy túllépi a fénysebességét, létezésükre az általános relativitáselmélet világított rá. A szökési sebesség alatt azt a minimális sebességet értjük, ami ahhoz szükséges, hogy megszökjünk az adott égitestről, azaz hogy elhagyjuk azt. Akkor tudunk elszökni egy égitestről, ha a mozgási energiánk meghaladja a gravitációs helyzeti energiát - ezt teszik az űrhajók. A Föld elhagyásához például 11,19 km/s sebesség kell, míg a Napéhoz 617,3 km/s, a Plutóéhoz pedig csak 1,1 km/s. A felsorolt adatokból is látszik, hogy mivel a gravitációs energia függ az égitest tömegétől, így a szökési energia is. A fekete lyukaknál ez a szökési energia nagyobb a fénysebességnél. Mivel (jelenlegi ismereteink szerint) a fénynél semmi sem tud gyorsabban haladni, így semmi, még a fény sem képes elhagyni azt, elszökni a fekete lyukról, tehát sem anyag, sem energia, sem sugárzás nem távozhat belőlük.

Hogyan keletkeznek?

A működő csillagok belsejében a gáznyomás és a sugárzás ellensúlyozza a befelé irányuló gravitációs erőt, de amikor az alapanyag kezd kifogyni egy csillagból, és a fúzióhoz energia hozzáadás kell, akkor a csillag meghal. Nincs fúzió, nem keletkezik energia, így nincs, ami kiegyenlítse a gravitáció befelé irányuló hatását. Emiatt gravitációs összeomlás következik be, az anyag a saját tömegéből adódó gravitációja miatt a középpont fele összeomlik, eredeti méretéhez képest sokkal kisebbre zsugorodik. A gravitációs összeomlást követően nem biztos, hogy fekete lyuk keletkezik. Ahhoz, hogy fekete lyuk keletkezzen, viszonylag nagy tömegű csillagra van szükség, hogy még a belőle keletkezett neutroncsillag is összeroppanjon. Ez a nagy tömeg körülbelül 1,2 és 3,8 naptömeg között van (egy naptömeg a Napunk tömegével egyenlő, ami 1,9891-szer 10 a harmincadikon kilogrammnak felel meg). Amennyiben nem éri el ezt a tömeget, úgy neutroncsillag keletkezik. Viszont az sem jó, ha a tömeg túl nagy - 20-40 naptömeg -, mert akkor a szupernova-robbanás előtt a csillagszélnek köszönhetően annyi anyag távozik, hogy a maradék már nem lesz elég egy fekete lyuk kialakulásához.

A szupernova-robbanás a Napnál nagyobb tömegű csillagok végső felrobbanása, ekkor a csillag fényessége versenyre kel egy galaxis fényességével, és ilyenkor majdnem annyi energiát állít elő, mint egész életében összesen. A mi Tejútrendszerünkhöz hasonló galaxisokban a szupernova-robbanások ritkák, körülbelül ötven évente következik be egy, de így is átlagosan évente három naptömegnyi csillag keletkezik. Vannak úgynevezett csillagvihar-galaxisok, csillagontó galaxisok, amelyekben a csillagok keletkezésének intenzitása körülbelül a miénk tízszerese. 

A szupernova-robbanás eredménye, mint már említettük, lehet neutroncsillag is. A neutron csillagok nagy mennyiségű neutront tartalmazó maradványcsillagok. Ha periodikusan rádióhullámokat bocsátanak ki, akkor pulzárnak nevezzük őket, ha pedig a szokásosnál erősebb mágneses térrel rendelkeznek, akkor a magnetár nevet kapják. A neutroncsillagok felszíni gravitációs ereje 2-szer 10 a tizenegyedikenszer nagyobb a Földénél, de szökési sebességük még így is csak a fénysebesség egyharmadát teszik ki, ami jóval alacsonyabb a fekete lyukak szökési sebességénél. A legnagyobb sebességgel mozgó előttünk ismeretes neutroncsillag óránként 5,5 millió km-t tesz meg, ez a sebesség emberi léptékkel felfoghatatlan.

A szökési sebesség akkor haladja meg a fénysebességét (akkor keletkezik fekete lyuk), ha a csillagmaradvány a Schwarzschild-rádiusznál kisebbre zsugorodik. Schwarzschild-sugár megegyezik az adott fekete lyuk eseményhorizontjának középpontól mért távolságával. Ha egy anyag a fekete lyukak eseményhorizontján belül kerül, biztosan belehullik a középpontba. A fekete lyuk közepében szingularitás van, ahol az anyag kiterjedése a nullához közelít, viszont a sűrűsége a végtelenhez (minél kisebb helyen zsúfolunk össze ugyanannyi anyagot, annál nagyobb lesz a sűrűség) - elképzelni is lehetetlen. A szingularitás eltorzítja a téridőt, a fekete lyukhoz egyre közelebb a gravitáció úgy megnyújtja az időt, hogy az végül teljesen megáll. A szingularitásban a téridő és az anyagsűrűség végtelen. Ha egy űrhajós külső szemlélőként nézi, ahogyan a társa belezuhan a szingularitásba, akkor azt tapasztalná, hogy a gravitáció egyre jobban megnyújtja az űrhajóst, viszont a folyamat egyre lassabb lenne, és egy idő után a külső megfigyelő azt látná, hogy a folyamat teljesen megáll, tehát a szemlélőnek úgy tűnne, hogy a másik sosem érkezik meg. Viszont a zuhanó űrhajóst egy idő után teljesen szétszakítaná a gravitációs erő és egyre nagyobb sebességgel, végül fénysebességgel szippantaná a szingularitás felé.

Szupermasszív fekete lyukak

A kutatók rájöttek, hogy ha nem is mindegyik, de a legtöbb galaxis magjában szupermasszív fekete lyukak helyezkednek el, ezek tömege szuper nagy. Ezek a fekete lyukak folyamatosan, de változó intenzitással - hol többet, hol kevesebbet - nyelnek el az őket akkréciós korong formájában körülvevő anyagból. Akkréciós korongnak az olyan szerkezetet nevezzük, amely egy központi testet körülvevő keringő diffúz anyag áramlása során jön létre. A fekete lyuk így gyűjti maga köré az anyagot, ami a belső súrlódás miatt síkba rendeződik. Mivel kívülről folyamatosan érkezik az utánpótlás, így a külső részen elhelyezkedő anyag egyre beljebb kerül, veszít energiájából, kisebb helyen tömörül össze, összenyomódik, az anyag is felhevül, végül bejut a középpontba. 

A szupermasszív fekete lyukak tömegbeli felső határa valószínűleg 50 milliárd naptömeg körül lehet, ekkor már az akkréciós korongban lévő anyag annyira felhevül, hogy a sugárzás nyomása megakadályozza az anyagutánpótlást. A legtöbb ilyen szupermasszív fekete lyuk - akárcsak az, ami a mi Tejútrendszerünk közepén található - nyugalmi állapotban van, tehát kevés anyagot nyel el. A szupermasszív fekete lyukak fejlődése nagyban összefügg az adott galaxis fejlődésével.

Forgás

Egy fekete lyuknak három jellemzője van: a tömeg, a forgási sebesség és az elektromos töltés. Egy fekete lyuk forgási sebessége nulla, ha az nem forog, egy pedig akkor, ha eléri a relativitás elmélet által meghatározott legnagyobb sebességet. Az eddig megmért fekete lyukak 0,95 és 0,98-cal forogtak, ami másodpercenként 950 és 980 forgást jelent, tehát félelmetesen gyors. Minél gyorsabban forog egy fekete lyuk, annál kisebb lesz a sugár, mivel a forgó téridő  magával húzza a befelé áramló anyagot, ami így sokkal közelebb kerülhet a fekete lyuk középpontjához anélkül, hogy az beszippantaná. Az így kialakuló belső zuhanás előtti stabil körpálya sugarára a hőmérséklete alapján tudunk következtetni, a hőmérsékletet pedig az általa kibocsátott röntgensugarak színképelemzésével határozzák meg, hiszen minden sugárzásnak egyedi színképe van.

Fehér lyukak

Sokak szerint a fekete lyukaknak kell, hogy legyen párjuk, azaz kell, hogy legyenek úgynevezett fehér lyukak is. Sokan úgy gondolják, hogy a szingularitás után a tér görbületének újból csökkennie kell, majd újból teljesen kinyílni. Az elmélet támogatói úgy vélik, hogy itt éppen a fordítottja történik annak, ami a fekete lyukakban, tehát itt az anyag csak kifelé áramlik. Az így létrejövő szerkezetet nevezik egyébként féreglyuknak, más néven Einstein–Rosen hídnak. Míg a fekete lyukak létezése ma már szinte kétségtelen, addig a fehér lyukakra egyelőre semmiféle bizonyíték nincsen.

Párolognak

Még 1974-ben a nagy tudós, Stephen Hawking jött rá, hogy a fekete lyukak bizony párolognak is. Párolgás alatt azt értjük, amikor a fekete lyuk tömegének a rovására energiából anyag keletkezik. Ez a párolgás annál intenzívebb, minél kisebb a lyuk tömege, tehát, ahogyan párolog a lyuk, csökken a tömeg, úgy nő egyre inkább a párolgás intenzitása is, míg végül robbanásszerűen eltűnik a fekete lyuk. Bár a fekete lyukak párolognak, azért a sugárzás és az anyag, ami bekerül folyamatosan pótolja a hiányt, s ha a pótlás nagyobb, mint a párolgás, akkor növeli a lyuk tömegét. Ez az ellensúlyozó folyamat mindaddig folytatódik, amíg a Világegyetem hőmérséklete nagyobb, mint a fekete lyuk hőmérséklete. Táguló Világegyetemnél, ami a tágulás következtében folyamatosan hűl, csökken a hőmérséklet, így egy idő után az összes fekete lyuk hőmérséklete a magasabb lesz, mint a Világegyetemé, tehát a pótlás megszűnik, a fekete lyukak teljesen elpárolognak majd. (A Világegyetem tágulását egy felfújódó lufival a legegyszerűbb szemléltetni: kezdetben nem is látszik az a pont, amihez képest a folyamatos fújás hatására a lufi felszínén lévő képzeletbeli pontok távolodnak, az nem abban a síkban van, hanem a lufi belsejében. Van egy másik modell is, ami még jobban szemléltei a Világegyetem tágulását: egy mazsolákkal teleszórt kelttészta sütés közben folyamatosan nő, a mazsolák mérete változatlan, de a piskóta növekedésével a mazsolák egyre távolabb kerülnek egymástól. Nem a mazsolák távolodnak, hanem a tér tágul. A Világegyetem tágulására a fény vöröseltolódásából következtetnek, a fény hullámhossza megnő, ami a látható fény esetében a fény vörösebbé válását okozza.) Egy hiberbolikusan gyorsulva táguló Világegyetemnél, ami véges idő alatt végtelenre tágul, ennek következtében iszonyatosan lehűl nagyon rövid idő alatt, így a fekete lyukaknak még elpárologni sem lesz idejük, hanem egyszerűen megszűnnek, és ugyanúgy értelmetlen lesz egy ilyen helyzetben beszélni róluk, mint a térről és az időről.

Hawking is a húrelméletettel magyarázza azt, hogy a fekete lyukakból a Hawking sugárzással (párolgással) kijuthatnak információk a fekete lyukból, ez persze ellentmond más nézeteknek, melyek szerint semmi sem juthat ki onnan. (A húrelmélet lényege, hogy a részecskefizikával szakítva a részecskéket nem pontszerűnek képzeli el, hanem kiterjedéssel rendelkező húroknak, így összhangba hozható az általános relativtás elmélet és a kvantumfizika.)