Egy kis elmélet

A fekete lyukba belezuhanó anyag gyakorlatilag megsemmisül, mivel azonnal elveszti szerkezetét. A fekete lyuknak csak három jellemző tulajdonsága van: tömege, forgási sebessége és az egyelőre még csak elméletben előrejelzett, de a gyakorlatban még nem bizonyított elektromos töltése. A tömegből viszont kiszámíthatjuk a fekete lyukak sugarát, az ún. eseményhorizontot.

Egy fekete lyuk sugarát az ún. Schwarzschild-sugár adja meg: R_s = 2 GM/c², ahol G a gravitációs állandó (6,67x10^-11 m³/kgs²), M az adott csillag tömege és c a fény sebessége (300 000 km/s).

Egy konkrét számítási példa kedvéért tegyük fel, hogy egy 1000 Nap-tömegnyi csillag élete véget ér és átalakul fekete lyukká. A Nap tömege: 1,98*10³⁰ kg. Így M = 1,98*10³³ kg. Tudjuk, hogy G= 6,67x10^-11 m³/kgs². A fény sebessége pedig: c = 3*10⁸ m/s. A fenti képletbe behelyettesítve: R_s = 2*G*M/c² = 2*6,67x10^-11*1,98*10³³/(3*10⁸)²= 2,935*10⁶ m = 2,935*10³ km = 2935 km. Ez az eredeti csillag sugarához képest szinte elhanyagolható! (Összehasonlításképp a Nap sugara kb. 696ezer km.)

Csak érdekesség, hogy Albert Einstein általános relativitáselméletének egy lehetséges megoldását 1916-ban vezette le Karl Schwarzschild (1873-1916) német csillagász, miközben az I. világháborús német hadseregben harcolt az orosz fronton. A csillagászok úgy 50 évvel később kezdték komolyan venni a néhai német csillagász által megjósolt nem látható csillagot.

Mint tudjuk, az Univerzum összes elemére, így a fekete lyukakra is hat a gravitáció. Ez a látszólag kicsi és jelentéktelen erő a sok Napnyi tömeggel rendelkező objektumok esetén óriásivá nő. Több kisebb fekete lyuk összeütközésével jöhetnek létre az ún. köztes fekete lyukak. Ezek jellemző tömege néhány száz és pár ezer Nap-tömeg között. Elég kevés ilyen köztes fekete lyuk ismert, de ilyen lehet többek között az NGC 4472 galaxis egyik gömbhalmazának közepén lévő objektum, illetve az NGC 5408 galaxis egyik ultrafényes röntgenforrása. Ez utóbbi tömege kb. 2000-szerese a Napunkénak.

(Kép eredetije: https://www.spacetelescope.org/images/potw1603a/)

Egy másik lehetséges hely az NGC 5408-as galaxisban mért kb. 2000 Naptömegnyi igen erős röntgenforrás. Ez a galaxis látható a fenti képen.

A második tulajdonságról, a fekete lyukak forgásáról igen keveset tudunk, mivel egyelőre csak alig pár égitestről rendelkezünk adatokkal. A nem forgó fekete lyukat Schwarzschild-féle fekete lyukaknak nevezzük (SFL), míg a forgókat Kerr-féle fekete lyukaknak (KFL), mivel Roy Kerr volt az, aki a forgó test körüli teret először sikeresen leírta és olyan matematikai megoldást talált, amely nyugalmi esetben a Schwarzchild-féle leírásba megy át. A jelenlegi számítások szerint a legtöbb fekete lyuk forog. Az eseményhorizont a SFL-ek esetében gömb alakú és csak a tömegtől függ, míg a KFL-ek esetében forgási ellipszoid, amely a tömegtől és a forgás sebességétől is függ.

A forgási sebességet a*-gal jelöljük, melynek értéke 0, ha az objektum egyáltalán nem forog és 1, ha az objektum az általános relativitáselmélet által megengedett maximális sebességgel forog. Az eddig megmért fekete lyukaknál ez az érték 0,95 fölöttinek adódott, ami például a GRS1915+105 nevű objektumnál (a* = 0,98) másodpercenként 950 fordulatot ad ki. Érdemes megnézni a következő rövid videót is erről a különös objektumról:

A fekete lyukak nagy tudósa Stephen Hawking (1942- ) (kép eredetije: http://the-wanderling.com/hawking.html), aki 1974-ben bebizonyította, hogy a fekete lyukakból mégiscsak jön ki valami. Ennek alapvető oka a kvantummechanika. Hawking érvelése szerint az üres tér kvantummechanikailag soha nem üres, mivel részecske-antirészecske párok keletkeznek benne, amelyek azonnal újra megsemmisülnek. Ezek azért a megszokott párkeltéssel ellentétben elég furcsák, mivel a pár össz-energiája zérus, tehát az antirészecske energiája negatív, melynek eredményeképpen az antirészecskék nem távolodhatnak el párjuktól. A fekete lyukak környékén azonban ebbe a nyugalomba belezavar a hatalmas gravitációs tér, melynek következtében előfordulhat, hogy a pozitív energiájú részecske eltávolodik a lyuktól, míg a negatív energiájú párja beleesik abba. A kilépő részek sugárzását hívjuk Hawking-sugárzásnak. Más néven ez a fekete lyukak párolgása. A sugárzás egyik következménye, hogy a fekete lyuk energiája, így tömege is nagyon kicsit csökken.
Ha a Hawking-féle párolgási elmélet igaz, akkor egy fekete lyuk várhatóan zsugorodni fog és elég hosszú idő alatt, de elveszti a tömegét a kibocsájtott fotonok és egyéb részecskék segítségével. A fekete lyuk hőmérséklete az elmélet szerint arányos a felületi gravitációval, így fordítottan arányos az objektum tömegével. Így a szuper méretű fekete lyukak jóval kisebb sugárzást bocsájtanak ki, mint a kicsik.

Például egy 1 kg-os, azaz 10^-27 méter sugarú fekete lyuk anyaga a sugárzás következtében 10^-21 másodperc alatt szétsugárzódik. Ez a sugárzás igen nagy energiájú gamma-sugárzás lesz. Az elmélethez hozzátartozik, hogy a nagyobb energiájú lyukak sokkal lassabban veszítik el energiájukat, mint a kisebbek. Csak összehasonlításképpen a Nap-tömegnyi fekete lyukak Hawking-hőmérséklete kb. 100 nanoKelvin, azaz 10^-9 K. Ahhoz, hogy a kozmikus háttérsugárzás 2,7 K-es hőmérsékletét elérjük, a Föld Holdjával összemérhető tömegű fekete lyukkal kell számolni. A számítások szerint egy ilyen fekete lyuk átmérője kisebb a milliméter egytized részénél.

Nagyon ritkán, de előfordulhat, hogy egy fekete lyuk széttép egy közeli csillagot. Ez csak akkor következhet be, ha a két objektum eleve nagyon közel volt egymáshoz. Ezt a jelenséget ritkasága miatt szinte lehetetlen lencsevégre kapni, de az AT2019qiz névre keresztelt eseményt sikerült lencsevégre kapni még a korai szakaszban. A kb. 215 millió fényévre lévő fekete lyuk ár-apály erőik itt először megnyújtotta a csillagot, majd szépen darabonként kitépkedte az anyagát.  A folyamat közben az anyag belehullott a fekete lyukba, fényes energialobbanást idézve elő.

"A megfigyelés kimutatta, hogy a csillag nagyjából a Naphoz hasonló tömegének a felét elveszítette a fekete lyuk miatt, amely több mint egymilliószor nagyobb tömegű" – idézte Matt Nichollt, a Birminghami Egyetem munkatársát, a tanulmány vezető szerzőjét az EurekAlert tudományos hírportál.

 

A fekete lyukak belsejének világáról jelenleg semmit sem tudunk: ez a csillagászat talán legnagyobb rejtélye. A legtöbb elméleti csillagász egyetért abban, hogy a fekete lyuk belseje tulajdonképpen egy merő szingularítás, azaz a benne lévő sok-sok naptömegnyi anyag egyetlen pontban összpontosul. Ahogy a fekete lyuk középpontjához közeledünk, úgy erősödik a tér görbülete és torzítása is; ráadásul ezen hatásoknak nincs határa. Egyes nem igazolt elképzelések szerint a fekete lyukak hozhatnak létre ún. féreglyukakat (warmholes), ahol végtelen kis idő alatt végtelen sok távolságot lehet megtenni – utazás nélkül. Ezt a furcsa effektust leginkább egy szemléletes példával lehet megmagyarázni: képzeljünk el egy egyszerű bogarat, ami csak vízszintesen tud közlekedni. Értessük meg vele, hogy milyen jó lesz neki, ha egy nagy papír egyik végéből átjut a másikba. Ő bogár a maga 2-dimenziós gondolkodásával elkezd lassan araszolni a másik vég felé. Viszont, ha a papír két végét egymásra hajtjuk, akkor a bogár pár pillanat alatt átér egy általa addig nem ismert dimenzió mentén a túloldalra.
Ezt a jelenséget igyekszik bemutatni a következő grafika:

(Kép eredetije: https://www.sciencenews.org/article/black-hole-circling-wormhole-weird-gravitational-waves)