Tamás Ferenc: A fekete lyukak

Rövidített verziója megjelent a Fejér Megyei Hírlapban 2019.ápr.12-én.

Egy szép, tiszta éjszakán, ha a városból felnézünk az égboltra, több tucatnyi csillagot látunk. Ha kimegyünk egy távoli fényektől mentes mezőre, akkor ez a szám több ezerre növekszik. Ha mindezt egy közepes távcsővel tesszük meg, akkor a szám máris milliós nagyságrendűre ugrik. Bár az égbolt rengeteg csillagát ismerjük és az egyre szaporodó földi és űrtávcsövek segítségével ez a szám napról napra nő, de a legrejtélyesebbek azon csillagok, amelyeket nem láthatunk: a fekete lyukak.

Fekete lyuk

 

Képen: művészi koncepció egy fekete lyukról
Kép eredetije: http://centalblackhole.files.wordpress.com/ )

Alapvetően a fekete lyukak a csillagközi téridő azon részei, amelyekből semmi, még a fény sem képes kitörni. De ez nem elég, mivel ezek a különleges csillagászati képződmények olyan szinten megrongálják az Űr hagyományos téridő szövetét, hogy a környéken lévő objektumokra is óriási (gravitációs) hatással vannak. A fekete lyukak környéke viszonylag jól megfigyelhető, de ahogy közeledünk a konkrét határhoz, a folyamatok egyre inkább eldurvulnak, végül a határon átlépve a fekete lyuk belsejéből semmit sem tudunk.

A fekete lyukak keletkezése

Amikor egy óriási csillag élete végénél jár, akkor fokozatosan elégeti az összes üzemanyagát, majd egy robbanás után kidobja a világűrbe a keletkezett anyagokat, akkor még marad egy igen kicsi, rendkívül sűrű anyagmennyiség. Elég nagy tömeg esetén ez az anyagmennyiség már nem képes megtartani saját súlyát, így összeroskad és a gravitáció teljesen elszabadul: a csillagból fekete lyuk lesz! (Csak az arányok érzékeltetése végett: 1 kiskanálnyi térben kb. a Himalája súlya koncentrálódik...)

Csillagok élete

(Kép eredetije: http://astro.elte.hu/icsip/csill_elete/csillagok_elete/index.html )

Magát a "fekete lyuk" elnevezést John Archibald Wheeler tette ismertté egy 1967-ben New York-ban tartott konferencián, bár ő maga mindig is hangsúlyozta, hogy az elnevezést más javasolta neki. Az első fekete lyuk-jelölt a tőlünk 8100 fényévre lévő Cygnus X-1 egyik csillaga lett 1971-ben. Maga az objektum kb. 14,8 naptömegnyi és az eseményhorizont sugara kb. 26 km. A rendszer másik csillaga (HDE 226868 jelű, kék, szuperóriás változócsillag) egy igen erős röntgen-sugárzó csillagnak tűnt eleinte, aztán a mérések és a számítások pontosítása során kiderült, hogy a két csillag valószínűleg anyagot cserél (pontosabban a fekete lyuk szív el anyagot a másik csillagból), így a fekete lyukhoz fokozatosan közelítő anyag bocsájthatja ki ezeket az igen erős röntgen-jeleket. A két csillag kb. 0,2  Föld-Nap távolságra kering egymástól.

Két csillag anyagcseréje

(Művészi elképzelés a két csillag anyagcseréjéről
Kép eredetije: https://www.nasa.gov/sites/default/files/cygx1_ill.jpg)

Ez a fekete lyuk a jelenlegi számítások szerint társát 5,6 nap alatt kerüli meg. A fekete lyuk körül a szomszédos csillagból kiáramló gáz hoz létre akkréciós (anyagbefogási) korongot, amely táplálja a csillagot. Néhány fekete lyuk a sarki tengely mentén kibocsájt egy fúvóka-szerű anyagot, amely a másik koncepciós ábrán kiválóan látható.

Fekete lyuk fúvókája

(Kép eredetije: http://www.nasa.gov/centers/goddard/news/topstory/2007/blackhole_weight.html)

Találhatunk több száz, vagy akár a galaxisok magjában több millió Nap-tömegnyi fekete lyukakat. Ilyen szörnyeteg lehet saját galaxisunk, a Tejút magjában is (2-3 millió Napnyi tömeggel) vagy a szomszédos galaxis, a 2,5 millió fényévre lévő az Androméda galaxis (csillagászati jellel: M31) magjában is.

Androméda-galaxis

(Képen: Androméda galaxis - Kép eredetije: http://apod.nasa.gov/apod/ap021021.html )

A legelső valódi felvételt egy létező fekete lyukról 2019.ápr.10-én hozta nyilvánosságra az Eseményhorizont teleszkóp (The Event Horizon Telescope) csapata. A felvételen az M87 jelű galaxis közepén terpeszkedő óriási fekete lyuk látható, melynek becsült tömege 6,5 milliárdszorosa a mi Napunknak. A kép közepén lévő fekete lyuk értelemszerűen nem látható, ám a körülötte lévő fényes por- és gázkorong jelzi az éppen beszippantás alatt lévő anyagot. Ez az igen régóta várt kép a közvetlen bizonyíték a szupermasszív tömegű csillagászati objektumokra; ezáltal új lehetőséget nyit meg a fekete lyukak, az eseményhorizontjuk és a gravitációjuk tanulmányozására.

M87 fekete lyuk

(Fotó eredetije: https://eventhorizontelescope.org/)

Egyes elméletek szerint léteznek mikroméretű (10-15 mm, vagy még kisebb) fekete lyukak, de ezt a gyakorlatban nem sikerült igazolni! A számítások szerint a természetes úton létrejövő fekete lyukak legkisebbje 3,8 Nap-tömegű. Ennél nagyobb csillagok összeroppanása esetén viszont a szupernóva-robbanáskor a haldokló égitest akkora mennyiségű anyagot dob le magáról, hogy a visszamaradt anyagmennyiség már nem elég a fekete lyuk létrejöttéhez, csak igen gyorsan forgó és erős mágneses térrel rendelkező neutroncsillag jöhet létre.

A fekete lyukak kutatását az is nehezíti, hogy láthatatlan mivoltuk miatt közvetlenül nem lehet látni őket, azonban jelenlétük kikövetkeztethető a környező csillagokra gyakorolt gravitációs hatásukból. Ha egy fekete lyuk áthalad pl. egy csillagászati ködön, akkor jelentős anyagmennyiséget "porszívóz fel" onnan, így nagyméretű akkréciós korongot gyűjt össze. A közelmúlt felfedezései további ötleteket adtak a titokzatos objektumok megfigyeléséhez, mivel a fekete lyukak óriási hatást gyakorolnak a környezetükre, többek között erős rádiókibocsájtásra késztetik azokat, felemésztik látható társaikat, vagy akár tömöríthetik a környékükön lévő anyagot.

Bár a fekete lyukak keletkezésének elvét elég jól értik a tudósok, ettől függetlenül több furcsaság is van az ég ezen objektumai körül. Egyik ilyen a méretük, ami a méretskála két végén található. Az ismert Univerzumban vannak ún. kis fekete lyukak, ezek általában 10-24 Naptömegű égi objektumok. Ezt a típust akkor lehet észlelni, amikor egy másik csillag annyira a közelében van, hogy onnan anyagot szívjon el a fekete lyuk és közben röntgensugarakat bocsásson ki. A legtöbb csillag fekete lyukat azonban nagyon nehéz észlelni. Az ilyen fekete lyukak létrehozásához elég nagy csillagok számából ítélve azonban a tudósok úgy becsülik, hogy csak a Tejútrendszerben tízmillió-egymilliárd ilyen fekete lyuk található.

A másik, sokszor észlelt típus a szupermasszív óriások típusa. Ezek jellemzően milliószor, vagy akár milliárdszor nagyobbak a Napunk tömegénél. Az elméleti csillagászok szerint ilyenek általában a galaxisok közepében vannak, például a Tejútéban vagy az Andromédáéban. A csillagászok úgy észlelhetik őket, hogy figyelik a közeli csillagokra és gázokra gyakorolt hatásukat.

Régebben a csillagászok azt hitták, hogy nem léteznek közepes méretű fekete lyukak. A Chandra, az XMM-Newton és a Hubble legújabb bizonyítékai azonban megerősítik azt, hogy léteznek közepes méretű fekete lyukak. Az egyik lehetséges keletkezési elmélet szerint ez a típus a rendkívül nagy csillagok összeomlása környékén keletkezik, azok kidobott anyagából.

További megfigyelések: https://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/black-holes