A fekete lyukak a természet és egyben a tudománytörténet magánvaló csodái: létezésüket először pusztán spekulatív úton feltételezte néhány fizikus, matematikus és csillagász, hogy azután a napjaink technikai fejlődése által lehetővé tett megfigyelések közvetlenül is igazolják létezésüket. Először még 1785-ben egy John Michell nevű brit geológus publikálta elképzelését arról, hogy egy a Nappal azonos sűrűségű, ám annál ötszázszor nagyobb sugarú égitestről egyszerűen nem jutna ki a fény, így az láthatatlan maradna. Elméletét egy időre átvette Laplace, a jeles francia matematikus-csillagász is - ám a teória a tudománytörténetben kulcsfontosságú XIX. században egyszerűen nem került elő, elvégre a fizikusok körében egy jó időre a fény természetét illetően a hullámelmélet győzött a korpuszkuláris teóriával szemben: ha a fény anyagtalan hullám, vélték naivan, úgy arra nem hat a gravitáció. A fordulatot természetesen e tekintetben is Einstein működése hozta meg. Az általános relativitás elméletének egyik szemlé-letes következménye szerint a nagy tömegű testek gravitációs mezője mintegy meggörbíti a teret, s ennek a hatására a fény is elhajlik környezetükben. Elsőként, még 1915-ben, Karl Schwarzschild asztrofizikus oldotta meg Einstein gravitációs téregyenletét - a tudománytörténet romantikus epizódjaként az orosz fronton, egy lövészárokban kuksolva (így azután cikkeit is Einstein ismertette a Porosz Akadémia előtt).
| ||
Szegény hamarosan belehalt a flekktífuszba, de a neve Schwarzschild-metrika és a Sch.-sugár révén fennmaradt; az utóbbi annak a rádiusznak a méretét adja meg, amelynél kisebbre zsugorodva egy csillag gyakorlatilag pontszerű objektummá zuhan össze. Megelőlegezve a jövőt, jelenlegi ismereteink szerint a Schwarzschild-sugár meghatározza azt a határfelületet, ahol a szökési sebesség nagyobb a fénysebességnél - ha egy fénysugár vagy objektum belül kerül az ez által kijelölt eseményhorizonton, úgy soha többé nem kerül ki onnan. A hatvanas évek közepén azután egy újabb tudós, Roger Penrose speciális matematikai (topológiai) eszközökkel leírta, hogyan képes egy nagy tömegű objektum összeomlani a saját súlya alatt, aminek eredménye rendre egy fekete lyuk lesz. Penrose szerint ráadásul a fekete lyuk közepén létezik egy különleges pont: az úgynevezett szingularitás (vagy téridő szingularitás). Ezen a ponton az általunk ismert fizika és matematika nem alkalmazható a továbbiakban: számos fizikai tényező egyszerűen hajmeresztő értékeket vesz fel: a gravitáció végtelen, a téridő görbülete nemkülönben. És megáll az idő.
Csillag, halál
Az efféle, akkoriban még hipotetikus objektumokat először John Wheeler elméleti fizikus nevezte fekete lyukaknak - a terminus végül az ő használata nyomán terjedt el. A fekete lyukak (legalábbis az apraja) a jelenleg uralkodó teóriák szerint igen nagy tömegű, a mi Napunknál jóval nagyobb csillagok összeomlása nyomán jönnek létre - elméletileg elképzelhető, hogy az efféle természetes halálcsillagok úgynevezett szupernóva-robbanásokból keletkeznek. Persze felvázolták azt is, mi kellene ahhoz, hogy a mi Napunkból is fekete lyuk váljék. Ehhez mindössze arra volna szükség, hogy a Nap 1,392 millió kilométernyi sugarát, potomság, 5,8 kilométerre csökkentsük (mivel ekkora a mi rendszerünk középpontjára vonatkoztatott Sch.-sugár) - no, ez az, ami sajnos lehetetlen. Amúgy rendkívül látványos folyamat, amikor egy a mi Napunknál sokszorta nagyobb csillag egyszerűen kiég és összeomlik - ekkor a belső energiatermelés már nem képes ellensúlyozni a gravitáció erejét: a csillag külső rétegei a centrumba zuhannak, majd az anyag visszapattanása nyomán bekövetkezik a robbanás, amelynek ereje a sztelláris matéria egy részét a csillag külső rétegeibe löki, s eközben a mag olyannyira összezsugorodik, hogy anyaga végtelenül kicsiny térbe sűrűsödik össze. Az anyag eme szinte elképzelhetetlen állapotában már nem létezik a megszokott materiális szerkezet.
| ||
Az atomok előbb egymáshoz préselődnek, majd az elektronok is belezuhannak a magba, mi több, az atommagot alkotó protonok és neutronok is olyannyira egymáshoz tapadnak, hogy a tömörödés az anyag általunk ismert legkisebb építőköveiig, a kvarkokig hatol, s azokat szintén jól összesajtolja. Ami az eseményhorizonton belülre kerül, az nem is jut ki onnan többé, így azután egy ilyen objektumból sem anyag, sem fény, sem ezekről szóló egyéb információ nem kerül ki - gondolnánk, de szerencsére nem így van, s éppen ez segített a fekete lyukak empirikus, bár még mindig csak közvetett felfedezésében. Először Stephen Hawking, a szélesebb nyilvánosság előtt is jól ismert fizikus gondolt arra, hogy létezik egy (utóbb éppen róla elnevezett) sugárzás, melynek létrejöttéhez éppen a fekete lyuk járul hozzá, amikor egy az eseményhorizont mentén keletkező anyag-antianyag pár egyik tagját a kölcsönös megsemmisülés előtt elnyeli - míg a másik kiszökik az űrbe. A fekete lyukak ráadásul nem is láthatatlanok: eseményhorizontjukat kompakt gáz- és porfelhő, úgynevezett akkréciós (befogási) korong veszi körül, amely alkalmanként igen fényes, de legalábbis az elektromágneses spektrum valamely tartományában intenzíven sugároz, s megfelelő méretű űrtávcsövekkel jól megfigyelhető. Először a Hubble-űrteleszkóp készített felvételt 1992-ben egy másik, távoli galaxis (katalógusszáma NGC 4261) magjában lévő objektumról: a képen sötét ellipszis látható, a közepén egy fényes ponttal. A hatalmas, sötét korong átmérője vagy háromszáz fényév, melyet egy a mi Napunknál milliószor nagyobb tömegű objektum csapdájába esett por és gáz alkot - a középső fényes pont pedig éppen az objektum helyét jelöli ki. A csillagászok vélekedése szerint az NGC 4261 magjában található óriási objektum egy szupernehéz fekete lyuk. Az efféle objektumok felfedezésében igen jelentős szerepet játszott a Chandra Röntgen Obszervatórium is: a Föld körüli pályára állított, nagy teljesítményű műszer képes bemérni és mintegy láthatóvá tenni az akkréciós korongból származó, az eseményhorizont felé örvénylő anyag súrlódása keltette röntgensugárzást, amely fontos bizonyíték egy fekete lyuk helyzetéről (apróbb probléma, hogy a neutroncsillagok és a fehér törpék - szintúgy a csillagfejlődés más típusú végállomásai - körül szintén találunk befogási korongot, sebaj).
Lyuk-lyuk, zene-zene
Csillagászok már arra is találtak bizonyítékot (büszkeségünk, az Európai Ûrkutatási Intézet XMM röntgenműholdjának köszönhetően), hogy a fekete lyukak rettenetes gravitációs energiájuk miatt igenis tudnak energiát átadni saját akkréciós korongjuknak, s így képesek azt felforrósítani (így valamilyen frekvencián láthatóvá tenni). A Hubble-teleszkópnak pedig sikerült felvételt készítenie egy fekete lyuk csavart szerkezetű mágneses tere által kilövellt, szinte gejzírszerű, csaknem fénysebességű anyagáramról - lám, előlünk semmi sem marad rejtve e világon.
Az asztronómusok legnagyobb örömére nemrég sikerült egy szupernehéz fekete lyukra lelni a mi galaxisunk, a Tejútrendszer kellős közepében - mivel ez felőlünk nézve a Nyilas csillagkép felé esik, így a durva röntgenkitörései alapján azonosított sötét objektum a Sagittarius (Nyilas) A nevet kapta. Jellemző, hogy a Sagittarius A tömege 3-4 milliószor (eredeti becslés szerint csak 2,6 milliószor) nagyobb, mint a Napé, eseményhorizontja pedig a Plútó pályáéval egyezik meg. A csillagászok, asztrofizikusok ennél többet is feltételeznek: nem tartják véletlennek a Sagittarius A helyzetét, hanem egyenesen úgy vélik, ez a galaxisunk tulajdonképpeni mozgatója. Mi több, ma már azt vallják, hogy idővel minden szupernehéz fekete lyuk megteremtette a maga galaxisát, s annak közepében terpeszkedik, amíg világ a világ. Akkoriban ezek az óriás fekete lyukak még nagyobbak lehettek, talán többmilliárdnyi Nap tömegűek - de még mára is maradt belőlük elég, hogy történjen bármi, ők maradjanak a galaxis közepén: ha elmozdulnak, velük tart az összes többi csillag. Az összefüggés amúgy fordítva is igaz: az uralkodó csillagászati hipotézis szerint minden galaxis közepén ott figyel egy-egy ilyen szörnyeteg - minderre következtetni lehet a távoli csillagrendszerek objektumainak mozgásából. Ráadásul a Sagittarius A pörög is a saját tengelye körül, mégpedig igen gyorsan - elvileg 11 perc alatt tesz meg egy fordulatot.
Nem várt eredményt hozott a már említett Chandra űrobszervatórium egy 2003-as mérése: kiderült, hogy egy, a Perseus csillagkép irányában található csillaghalmazból származik a világegyetem legmélyebb hangja: az objektum közepén sunyin meglapuló fekete lyuk hangsugárzóként működik, és egy emberi fül számára nem hallható B hangot bocsát ki, ami állítólag 57 oktávval van mélyebben a normál C hang mellett található hasonló hangnál.
| ||
A hangot szolgáltató fekete lyuk ráadásul igen szorgalmas természetű objektum: egymaga tart össze egy ikerhalmazt, az általa sugárzott hang pedig onnan származik, hogy a fekete lyukak környezetében csaknem fénysebességre gyorsulnak a gázok, és eközben rendesen "csikorognak", azaz hangot is bocsátanak ki, mondjuk milliószor milliárdnyival alacsonyabb frekvencián, mint ahogy meghallhatnánk. Ráadásul a tudósok azt is állítják, hogy éppen ezek az óriási energiát hordozó hanghullámok fűtik és tartják forrón a csillagrendszerek körüli gázfelhőket. Az említett fekete lyuk egyébként a világegyetem legöregebb mélynyomója: a hang ugyanis már 2,5 milliárd éve szól a nagy, égi diszkóban.
Kis, fekete
A mi galaxisunk közepe amúgy még bonyolultabban nézhet ki, mint azt korábban gondoltuk: a Chandra és a Hubble mérései szerint ugyanis a Sagittarius A, azaz a központi szuperlyuk körül kering még egy hét tagból álló csillagrendszer is, középpontjában - a változatosság kedvéért - egy újabb fekete lyukkal: igaz, ez kisebb darab, becslések szerint a tömege "alig" 1300-szorosa a Napénak (a Chandra azóta már sok más, közepes méretű fekete lyuk létére talált bizonyítékot csak a mi Tejútrendszerünkben). Ez abból a szempontból érdekes, hogy eddig csak ennél jóval nagyobb, gigantikus, és ennél jóval kisebb (szupernóva-robbanással létrejött, csillagtömegű) fekete lyukak nyomait észlelték a tudósok. Kuriózum, hogy a feketelyuk-teória fáradhatatlan robotosa, Stephen Hawking szerint léteznek mini fekete lyukak is, melyeknek eseményhorizontja mikroszkopikus méretű: ilyenek tömegével jöhettek létre az ősrobbanást követően, ám mára épp a Hawking-sugárzásnak köszönhetően egyszerűen elpárologtak. Egyesek ráadásul azt feltételezik, hogy a termonukleáris reakciók közben is keletkeznek "miniatűr" fekete lyukak. No, erre már ugranak a földi léptékekben utazó tudósok is, elvégre lehetőség nyílik mesterséges fekete lyukak létrehozására. A genfi CERN Részecskekutató Központban például egy nagy energiájú részecske és antirészecske ütköztetésével próbálnak egy mesterséges, mini fekete lyukat előállítani, amit azután a pillanat tört részéig megfigyelhetnének - mi meg parázhatunk: hátha gonosz kis gömböc lesz belőle, ami azután kimászik és mindent megesz. Meghökkentő, de még mielőtt bárminémű empirikus tapasztalatot szerezhettünk volna egy effajta kezes, tenyerünkből etethető fekete lyuk megfigyeléséből, egyes kutatók új, morbid, habár a sci-fikből már jól ismert magyarázattal álltak elő, mely mintegy leváltaná a fekete lyuk teóriáját. A Mazur és Mottola nevű fantáziadús kutatók szerint: amint egy égitest gravitációs összeomlást szenved el, a tér is fázisváltozáson megy át, a gravitáció iránya látszólag megfordul, ami megakadályozza a további kollapszust. Az eseményhorizont helyén egy sajátos szilárd héj, a belezuhanó anyag révén vastagodó felszín alakul ki, s így létrejön egy különös, a két imposztor kutató által csak "gravastar"-nak nevezett objektum, amelynek a belsejében azután már tényleg tök sötét van (létezik ennek egy továbbfejlesztett változata is: a sötét energiájú csillagok elmélete). Ez persze egy úgynevezett nem kielégítően igazolt hipotézis, amelyhez hasonlókkal jócskán találkozhat bárki a fekete lyukakkal kapcsolatban. Hogy mást ne mondjunk, Hawking szerint az általunk ismert négyen (a tér három iránya plusz az idő) túli dimenziók az eseményhorizont fogságában sínylődnek, mások szerint a fekete lyuk mintegy féregjáratként nyit utat egy másik, vélhetően szebb, boldogabb világba, ahol a kenyér három hatvan, gáz helyett pedig sötét energiával fűtenek, ami sohasem fogy el, és nem is emelik az árát.
