Tényleg találtak a tudósok fekete lyukakat?

OLYAN, mint egy sci-fi — láthatatlanná váló fényes csillagok, melyek összeroppantak saját gravitációs erejüktől, és semmi, még fény sem szökhet ki a szorításukból. Sok csillagász úgy véli, hogy az ilyen fekete lyukak gyakoriak lehetnek a világegyetemben. Szeretnél többet tudni a fekete lyukakról? A történet a csodálatos északi csillagképben, a Cygnusban (jelentése: ’hattyú’) kezdődik.

Cygnus X-1 — Fekete lyuk?

A Cygnus-csillagkép egy bizonyos területe az 1960-as évek óta érdekli a csillagászokat. A Föld légkörén túlra bocsátott megfigyelő műholdak erős röntgensugárforrásra bukkantak, mely a Cygnus X-1-nek elnevezett területről származik.

A tudósok régóta tudják, hogy minél melegebb valami, annál nagyobb energiát bocsát ki rövidebb, erősebb elektromágneses hullámokon. Ha igen forró kemencében vasdarabot hevítesz, először vörösesen, majd sárgán, végül fehéren fog izzani, amint a vas egyre jobban felforrósodik. Ebben a tekintetben a csillagok olyanok, mint a vasrudak. A viszonylag hideg csillagok, melyeknek hőmérséklete körülbelül 3000 Ka, vöröses színűek, míg az olyan sárga csillagok felszínén, mint a Nap, a hőmérséklet közel van a 6000 K-hez. A csillaggázt azonban több millió kelvinre kellene felmelegíteni ahhoz, hogy olyan legyen a röntgensugárzása, mint amilyen a Cygnus X-1-ből származik. Semmilyen csillagnak sincs ekkora felszíni hőmérséklete.

A Cygnus X-1-nél a csillagászok találtak egy csillagot, melynek a felszíni hőmérsékletét 30 000 K-re becsülik — ez tényleg nagyon forró, de közel sem elég forró ahhoz, hogy megmagyarázza a röntgensugarakat. Ezt a csillagot HDE 226 868-ként vették jegyzékbe, s a becslések szerint tömege körülbelül 30-szorosa a Nap tömegének, és 6000 fényévnyire van a Földtől. Ennek a szuperóriásnak van egy társa; e kettő egymás körül forog, s 5,6 nap alatt keringőzik körbe egymást. A tudósok kiszámolták, hogy e társ csak néhány millió kilométerre van a HDE 226 868-tól. Néhány forrásmű szerint ennek a társnak a tömege körülbelül tízszerese a Napénak. De van valami nagyon szokatlan ebben a társban — láthatatlan. A Földtől ilyen távolságra lévő, ekkora nagyságú normális csillagnak láthatónak kellene lennie. A tudósok azt mondják, hogy egy ekkora tömegű objektum, mely látszólag röntgensugarakat bocsát ki, de látható fényt nem, jó jelölt arra, hogy fekete lyuk legyen.

Utazás a fekete lyukhoz

Képzeld el, hogy elutazhatnál a Cygnus X-1-hez. Ha ez tényleg fekete lyuk, akkor amit látnál, nagyon hasonlítana ahhoz, ami a 17. oldalon lévő képen van. A nagy csillag a HDE 226 868. Míg ez a csillag több millió kilométer átmérőjű, a fekete lyuk körülbelül hatvan kilométer átmérőjű lehet. Az izzó gázörvény közepében lévő kicsiny fekete pontot a fekete lyuk eseményhorizontjának vagy határfelületének nevezik. Ez azonban nem szilárd felület, inkább az árnyékhoz hasonlít. Ez a határa annak a területnek, amelyben a fekete lyuk körüli gravitáció annyira erős, hogy még a fény sem szabadulhat ki. Sok tudós úgy gondolja, hogy a horizonton belül, a fekete lyuk középpontjában van egy nulla kiterjedésű, végtelen sűrűségű pont, mely szingularitásként ismert. A szingularitásban minden anyag eltűnik, ami a fekete lyukban van.

A fekete lyuk elszívja a kísérőcsillag külső gázrétegeit. A csillagból származó gáz izzó korongot alkot, miközben a gáz egyre gyorsabban örvénylik, és felmelegszik a fekete lyuk körül lévő súrlódástól. Ahogy a gáz hihetetlen sebességre gyorsul az erős gravitációtól, a túlforrósodott gázkorong röntgensugarakat hoz létre pont a fekete lyuk szélén. Természetesen amint a gáz belehullik a fekete lyukba, nem tud több röntgensugár — és semmi más sem — kiszabadulni onnan.

A Cygnus X-1 lélegzetelállító látvány, de ne menj túl közel hozzá! Nemcsak a röntgensugarai halálosak, hanem a gravitációja is. A Földön — miközben állsz — csak kevés különbség van a között a gravitációs erő között, mely a fejedre hat, és a között, amely a lábadra. Ez olyan kis vonzáskülönbséget idéz elő, amely nem is érezhető. A Cygnus X-1-nél azonban ez a kis különbség 150 milliárdszorosára sokszorozódik, olyan erőt hozva létre, amely valójában kinyújtaná a testedet, mintha egy láthatatlan kéz ellentétes irányba húzná a lábadat és a fejedet!

Cygnus A — Szupertömegű fekete lyuk?

Van egy másik rejtélyes terület is a Cygnus-csillagképben. Optikailag ez a terület csak egy távoli galaxis nagyon halvány darabkája, mégis ő bocsátja ki a legerősebb égi rádióhullámok némelyikét. Cygnus A-nak hívják, s amióta csak felfedezték, több mint 50 éve sok fejtörést okoz a tudósoknak.

Felfoghatatlan, milyen hatalmas a Cygnus A. Míg a Cygnus X-1 itt van a mi galaxisunkban, néhány ezer fényévnyire tőlünk, a Cygnus A-ról azt gondolják, hogy több százmillió fényévnyi távolságban van. És míg a Cygnus X-1 és látható társa körülbelül csak egy fénypercnyire van egymástól, azok a nyalábok, melyek a Cygnus A két rádióhullám-kilövelléséből származnak, több százezer fényévnyi távolságra vannak egymáshoz képest.b Van valami a Cygnus A közepében, ami nyilvánvalóan több százezer éve, sőt lehet, hogy már több millió éve (kozmikus sugárágyúhoz hasonlóan) ellenkező irányba bocsátja ki ezeket az erős energiakilövelléseket. A Cygnus A közepéről készült részletes rádiótérképek feltárják, hogy a kilövellésekhez képest a sugárágyú nagyon kicsi: egy fényhónapnál is kisebb. Ha a sugárágyú egész idő alatt inogna, a fénysugarak nem lennének egyenesek. De a rejtélyes kilövellések tökéletesen egyenesek, mintha az őket kilövő sugárágyút hatalmas pörgettyű rögzítené.

Mi játszódhat le? „Abból a több tucat elképzelésből, mely az 1980-as évek elején látott napvilágot a központi hajtóerő magyarázatára, csak az egyikben volt szó egy hosszú életű, nagyszerű pörgettyűről, mely kisebb, mint egy fényhónap, és amely képes erős kilövelléseket létrehozni. Ez az egyedülálló elképzelés egy hatalmas, forgó fekete lyuk volt” — írja Kip S. Thorne professzor.

Más feketelyuk-jelöltek

1994-ben az újonnan felújított Hubble-űrtávcsővel alaposabban megvizsgálták a „közeli” M87-es galaxist, mely a becslések szerint 50 millió fényévnyire van tőlünk. A Hubble-űrtávcső korszerű optikájával egy olyan gázörvényt fedeztek fel az M87-es középpontjában, mely valamilyen objektum körül kavargott bámulatba ejtő (2 millió kilométer/órás) sebességgel. Mi idézhette elő, hogy a gáz ekkora sebességgel mozogjon? A számítások azt mutatták, hogy az örvényben lévő objektumnak legalább kétmilliárd naptömegűnek kell lennie. De az objektum „parányi” helyre — akkorába, mint a Naprendszerünk — van bepréselve. A tudósok csak egyvalamiről tudják elképzelni, hogy feltehetőleg ráillik ez a leírás: egy szupertömegű fekete lyukról.

Mostanság feketelyuk-jelölteket fedeznek fel számos közeli galaxis középpontjában, így a „legközelebbi” szomszédunkban, az Andromeda-galaxisban is, mely körülbelül csak kétmillió fényévnyire van tőlünk. De lehet, hogy még az Andromedánál közelebb is van egy másik hatalmas fekete lyuk! Az új keletű megfigyelések azt sejtetik, hogy egy hatalmas fekete lyuk lehet a mi galaxisunk, a Tejútrendszer középpontjában is. Egy kis területen — a becslések szerint 2,4 millió naptömegnyi területen — lévő valami azt idézi elő, hogy a galaxisunk középpontjához közeli csillagok óriási sebességgel keringjenek. A fizikus Thorne megjegyzi: „Az 1980-as években apránként összegyűlő bizonyítékok azt sugallják, hogy nemcsak a legtöbb kvazár és rádiógalaxis belsejében vannak ilyen lyukak, hanem az olyan hatalmas, normális (nem rádió-)galaxisok belsejében is, mint amilyen a Tejútrendszer és az Andromeda.”

Tényleg fekete lyukakat fedeztek föl a tudósok? Elképzelhető. Az biztos, hogy néhány teljesen új objektumra bukkantak a Cygnus-csillagképben és máshol is, melyeket jelenleg legkönnyebben a fekete lyukakkal lehet megmagyarázni. Új adatok azonban szintén megkérdőjelezhetik az általános nézeteket.

Több mint 3500 évvel ezelőtt Isten megkérdezte Jóbot: „Ismered-é az ég törvényeit . . .?” (Jób 38:33). A tudomány területén elért bámulatba ejtő előrehaladás ellenére, még mindig időszerű ez a kérdés. Végtére is pont akkor, amikor kezdi azt hinni az ember, hogy érti a világegyetemet, valamilyen új, váratlan nézet tűnik fel a színen, hogy romba döntse körültekintéssel kigondolt elméleteit. Mi pedig eközben csodálva fürkészhetjük a csillagképeket, s gyönyörködhetünk szépségükben!

[Lábjegyzetek]

[Kiemelt rész a 16., 17.. oldalon]

Miből lesz a fekete lyuk?

A JELENLEGI tudományos ismereteink szerint a csillagok azért fénylenek, mert szüntelen küzdelem van a gravitáció és a nukleáris erők között. A nélkül a gravitáció nélkül, amely összepréseli a gázt mélyen a csillag belsejében, nem jönne létre nukleáris fúzió. Másrészt viszont, a nélkül a nukleáris fúzió nélkül, mely ellenállóvá teszi a csillagokat a gravitáció vonzásával szemben, valami nagyon szokatlan dolog történhet a csillagokkal.

A tudósok úgy gondolják, hogy amikor a nagyjából Nap méretű csillagok felélik nukleáris üzemanyagaikat, a hidrogént és a héliumot, a gravitáció körülbelül Föld méretű, forró salakká préseli össze őket. Ezeket fehér törpéknek nevezik. A fehér törpe naptömegű lehet, de ez a tömeg egy akkora térbe van összepréselve, mely a Napénak milliomodrésze.

A közönséges anyagról úgy vélheted, hogy többnyire légüres tér, amelyben minden egyes atomnak szinte a teljes tömege egy apró magban van, amelyet egy sokkal nagyobb elektronfelhő vesz körül. Ezzel szemben a fehér törpén belül a gravitáció az elektronfelhőt korábbi térfogatának parányi részére préseli, a csillagot bolygó méretűre zsugorítva. A nagyjából Nap méretű csillagoknál ennél a pontnál kiegyenlítődik a gravitáció és az elektronok ereje, megakadályozva a további összenyomódást.

De mi a helyzet azokkal a csillagokkal, melyek nehezebbek a Napnál, és nagyobb a gravitációjuk? Azoknál a csillagoknál, melyek több mint 1,4 naptömegűek, olyan nagy a gravitációs erő, hogy az elektronfelhő a nyomás miatt megszűnik. A protonok és az elektronok neutronokká egyesülnek. A neutronok ellenállnak a további nyomásnak, feltéve, ha a gravitáció nem túl erős. Bolygó méretű fehér törpe helyett az eredmény egy kis aszteroida nagyságú neutroncsillag. A neutroncsillagok a világegyetemben a legsűrűbbnek ismert anyagból állnak.

Mi a helyzet azonban akkor, ha a gravitáció tovább nő? A tudósok úgy vélik, hogy a körülbelül háromszoros naptömegű csillagokban a gravitáció annyira erős, hogy a neutronok nem tudnak neki ellenállni. A fizikusok által ismert anyagok egyike sem tud ellenállni mindezen gravitáció halmozott erejének. Úgy tűnik, hogy az aszteroida méretű neutrongolyók nemcsak kisebb golyóvá préselődnének össze, hanem a semmibe jutnának, egy szingularitásnak nevezett pontba, vagy valamilyen eddig még meg nem fogalmazott elméleti állapotba. A csillag látszólag eltűnne, s csak a gravitációját és egy fekete lyukat hagyna maga után ott, ahol volt. A fekete lyuk gravitációs árnyékot alkotna a korábbi csillag helyén. Ez olyan terület lenne, ahol a gravitáció olyan erős, hogy semmi, még a fény sem tudna kiszabadulni.

[Képek a 16. oldalon]

A Cygnus-csillagképben van többek között az Észak-Amerika-köd (1) és a Cirrus-köd (2). A Cygnus X-1 (3) a hattyú nyakának a közepén helyezkedik el

Cygnus (Hattyú)

[Forrásjelzés]

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

Tony and Daphne Hallas/Astro Photo

[Képek a 17. oldalon]

A Cygnus X-1 az elméletek szerint

A fekete lyukakat azok alapján a hatások alapján fedezik föl, melyeket más testekre gyakorolnak. Ez a kép fekete lyukba hulló gázokat ábrázol, melyek egy csillagból származnak

Művészi elképzelés a fekete lyukról (a vörös téglalapban) és kinagyítása (lent)

[Kép forrásának jelzése a 14. oldalon]

Einstein: U.S. National Archives photo