CineScience #1-Fekete lyukak (2.rész)

A legutóbbi alkalom során sikeresen átnéztük, miről is szól valójában Albert Einstein 1915-ös forradalmi munkája, az általános relativitáselmélet, melyről mind a mai napig szerzünk megfigyelési tapasztalatokat. Az elmélet egyik leghíresebb következménye nem más, mint első nagy témánk, a fekete lyukak létezése, mely az elmúlt fél évszázadban szinte minden sci fi írót és rajongót lenyűgözött és inspirált. Ahhoz, hogy megértsük, mégis mik ezek a kozmikus szörnyetegek, előbb még meg kell vizsgálnunk, hogy pontosan hogy is működnek az égboltunkat éjszakánként elárasztó távoli fényforrások, a csillagok.

A csillagok életútjának vizsgálatához külön kell választanunk két csoportot, a kisebb és  nagyobb tömegű csillagok csoportját. A két különböző fajtájú égitest ugyanis más-más életutat jár be, a tömegüktől függően, mindössze egy közös tulajdonságuk van: mindkettő egy magfúziónak nevezett folyamat segítségével termel energiát, mely során két hidrogén egyesüléséből hélium, nagy mennyiségű energia, valamint neutrínók és fotonok keletkeznek, utóbbiak azok a részecskék, amikből maga a fény áll. Ezen fotonok egyébként a csillag belsejében uralkodó fizikai törvények miatt több millió év alatt érik el a csillag felszínét, tehát az a fény, amely a szemünkbe eljut, valójában idősebb, mint maga az emberiség. Ezen tömeggel nem rendelkező részecskéknek az árama nyomást gyakorol a csillagra, mely szét akarja vetni az égitestet és amelynek a monumentális égi objektum hatalmas tömegéből adódó gravitáció tart csak ellent, mely a csillag több millió éves élete alatt végig harcol a fotonnyomás ellen. A csillag üzemanyaga, a hidrogén azonban nem örök életű: egyszer csak elfogy, és ebben a pillanatban válik ketté az óriási és kisebb tömegű égitestek élettörténete. A kisebb csillagok (mint például a mi Napunk) életük végén először vörös óriássá változnak, bekebelezve naprendszerük belsőbb bolygóit (ez a sors vár szerény kis életöblünkre, a Földre), majd végül összezsugorodnak és fehér törpe alakul ki belőlük. Nagyobb tömegű testvéreik azonban újra és újra kitágulnak és összezsugorodnak, míg végül fel nem robbannak: ezt nevezzük szupernova robbanásnak. Helyükön a tömegüktől függően egy semleges részecskékből álló, szilárd felszínnel rendelkező neutron csillag, még nagyobb tömeg esetén pedig fekete lyuk maradhat.

                                        

A fekete lyukak létezésének elméleti lehetősége először 1916-ban merült fel, mikor az I. világháborúban összeszedett betegsége miatt még abban az esztendőben elhunyt Karl Schwarzschild kitűzte céljául, hogy megoldja az általános relativitáselmélet alapjául szolgáló Einstein-egyenleteket. Ezeket a formulákat azonban nagyon nehéz megoldani, hiszen a fizikusok ilyenkor segítségül különböző feltételeket tesznek fel magáról a térről, amiben megoldani kívánják az adott egyenleteket, ezeket peremfeltételeknek hívjuk, azonban ebben az esetben pont magának a térnek az alakja az, amit meg szeretnénk kapni eredményként. Ezért Schwarzschild kénytelen volt egyszerűsítéseket feltételezni, hogy pontosan milyen tulajdonságú test körül szeretné megkapni a megoldást. A német fizikus két, a tudósok által igen kedvelt feltételezést tett fel: megoldást vákuumban, vagyis légüres térben szerette volna megkapni, a tér alakjára pedig a gömbszimmetrikust válaszotta, amilyennek a csillagokat és a legtöbb égitestet is tapasztaljuk. Tulajdonképpen ezzel a megoldással Schwarzschild megkapta a csillagok körüli téridő szerkezetét – a csillagon belüli téridőről ez a megoldás, lévén a csillag nem vákuumból áll, semmit nem tud mondani.  A tudós megdöbbentő felfedezést tett: a megoldásnak két helyen is szingularitása van, vagyis olyan pontja, ahol a matematikai függvények végtelenné válnak. Ezen két szingularitás közül azonban csak az egyik „igazi” – a másik eltűnik, ha rendszerünket átkoordinátázzuk. Ez utóbbi megoldást hívjuk Schwarzschild-sugárnak, mely egyrészt megoldásunk egyik paramétere, másfelől pedig beszédes jelentése van: ha ebbe a sugárba tesszük égitestünk egész tömegét, fekete lyukká válik, egy olyan erős gravitációs mezővel rendelkező objektummá, ahonnan még a fény sem képes elszökni (ezért is fekete). Érdekességképpen, Napunk Schwarzschild-sugara 3 km (valódi sugara kb 700 000 km), míg Földünké pedig 9 mm. Az ezzel a gömbszimmetrikus, vákuum megoldással leírható fekete lyukat nevezzük Schwarzschild-féle fekete lyuknak. Ezen objektumok egyik fontos paramétere az eseményhorizont: ez az a határ, amit ha átlépünk, onnantól kezdve már a fény sem tud kiszabadulni. Ha egy ember átlépné ezt a határt, az ilyen típusú fekete lyukaknál halál várna rá: teste végtelen vékonyra nyúlna meg, ezt nevezzük spagettizálódásnak, és a kívülálló számára végtelen idő alatt zuhanna bele a lyuk középontjába, a valódi szingularitásba, melynek természetéről, lévén ott a fizika törvényei csődöt mondanak, semmit nem tudunk.

Az 1960-as években az új-zélandi Roy Kerr egy új fajta megoldást publikált, melyet nem vezetett le, állítása szerint megálmodta, majd behelyettesítve az Einstein-egyenletekbe, helyes eredményt kapott. Az ő megoldásában fekete lyuk már nem egy álló, sztatikus objektum, hanem helyette forog, ezzel még újabb, furcsább tulajdonságokra téve szert. Kerr megoldásában immáron nem egy, hanem négy eseményhorizont van, melyek közül a legkülső ovális alakú, majd két kör alakú után a legbelső is ovális formát vesz fel. Ezeket átlépve nem tudjuk, hogy az űrhajónk elszenvedné-e a spagettizálódást, azonban leírható egy olyan mozgás, melyben nem zuhanunk bele a szingularitásba, hanem körbe-körbe mozgunk körülötte. Ráadásul az ilyen fajta mozgások zárt időszerű vonalakon is történhetnek, mellyel képesek lehetnék az időutazásra – őrület, mi? A forgásnak köszönhetően a szingularitás sem pontszerű, hanem egy henger lesz, melyen merőleges irányban haladva keresztül tudunk utazni. Áthaladva ezeken, szintén időutazásban vehetünk részt, azonban ha kizárjuk ennek a lehetőségét, azzal a feltételezéssel kell élnünk, hogy űrhajónk egy másik világba, másik univerzumba került. Egy szó, mint száz, a Kerr-féle megoldás számtalan izgalmas, a sci fikből ismert kalandokkal kecsegtethet nekünk, ha egy probléma nem ütné fel a fejét. Az ilyen típusú fekete lyuk rendkívül instabil, akármilyen anyag, ha belekerül, összeomlik. Tekintettel arra, hogy a csillagok fénye úgyis eléri a fekete lyukat, feltételezhetjük, hogy az ilyen típusú objektumok a valóságban nem alakulhatnak ki. Ez a megoldás természetesen egy modell, hasonlóan Schwarzshildéhoz,: ha a fekete lyukat nagyon távolról nézzük, először még észre se vesszük gravitációs hatását, mintha ott sem lenne. Közeledve először Schwarzschild-félének, még jobban közeledve pedig Kerr-nek érezhetjük, azonban a kettő nem folytonosan következik egymásból, topológiájukban különböznek: ha a Kerr-féle fekete lyuk forgása megállna, először megfeszítené a teret, mielőtt Schwarzschilddá válna. Ezen modelleken kívül még két fajta megoldást szokás emlegetni: a Reissner-Nordström megoldás során a fekete lyuk áll és töltése van, míg a legösszetettebb metrika a Kerr-Newman féle megoldás, ahol az objektum forog és még töltéssel is rendelkezik.

A Kerr-féle megoldás még egy izgalmas eredménnyel szolgál: a külső ovális és külső kör eseményhorizont közti területen, melyet ergoszférának nevezünk, negatív energiák létezhetnek, vagyis olyan tömegek, amik ellentétes előjelűek a normális anyag tömegével (az energia és a tömeg Einstein speciális relativitáselmélete óta ekvivalens fogalmak a fizikában). Különböző kvantumelméletek szerint a vákuum valójában nem is olyan üres, mint gondoltuk: a semmiből létrejöhetnek anyag-antianyag párok, melyek találkozva annihilálódnak, vagyis megsemmisülnek, és reakciójukból két (esetenként három) foton keletezik. Ha ilyen pár keletkezik a fekete lyuk belsejében, a pozitív energiával rendelkező részecske kijuthat a fekete lyukból, míg a másik belezuhan a szingularitásba. Ez által egyrészt energia bányászható az objektumból, másfelől viszont a fekete lyuk párolog – ezek szerint ezek a kozmikus szörnyetegek sem örök életűek, egyszer eltűnnek. Ezt nevezzük Penrose-folyamatnak. Hasonló eredményre jutott a nemrég elhunyt Stephen Hawking angol fizikus, aki felfedezte, hogy a fekete lyukaknak entrópiájuk (a fizikában ezzel a mennyiséggel jellemezük egy-egy rendszer rendezetlenségét) és az energiájukból adódóan hőmérsékletük van. Ez azt is jelenti, hogy eme hatalmas gravitációval rendelkező égitesteknek van hőmérsékleti sugárzásuk, vagyis energiát bocsájtanak ki, ami azt jelenti, hogy a fekete lyuk párolog.

Sokáig eme óriási testeknek a létezése pusztán elméletben született, azonban 1963-ban Maarten Schmidt döbbenetes felfedezést tett. Egy nagyon fényes objektumot fedezett fel, mely ellentmondott egyes csillagászati törvényekkel: az Eddington-luminozitásnak nevezett mennyiség mondja meg, hogy egyes csillagok maximum milyen fényesek lehetnek, különben szétvetné őket a belőlük származó hatalmas fotonnyomás. Ez az objektum azonban sokkal fényesebb volt ennél a határnál, el is nevezte kvazárnak, vagyis kvázi-csillag-objektumnak. Hamarosan rájöttek a titok nyitjára: ez az objektum valójában egy fekete lyuk, mely körül egy akkréciós korongnak nevezett régió van – itt spiráloznak be a gravitációs csapdába esett testek a fekete lyukba, melyek egymással súrlódhatnak, és emiatt lesz ennyire fényes. Ez a felfedezés egyrészt bizonyította Einstein általános relativitáselméletét, valamint a fekete lyukak létezését, másfelől megmutatta nekünk, hogy a nem csak az elhalt csillagok alakulhatnak fekete lyukká, hanem a galaxisok közepén is ilyeneket találhatunk, melyek az előbbieknél sokkal nagyobb méretűek. A mi Tejútrendszerünk közepén is tehát fekete lyuk van, mely a Saggitarius A* csillagképben található.

A fekete lyukak számos sci fi író képzeletét ragadták meg az elmúlt években, nem véletlenül. A tény, hogy bennük az idő lelassul a külső szemlélő számára, lehetőséget adva az időutazásra, már önmagában érdemes a fantáziálásra, ráadásul ezen objektumok ablakot nyithatnak más univerzumok felé, mely szintén kedvelt témája a tudományos-fantasztikumnak. Az 1979-es Black Hole, az Interstellar, a Csillagkapu vagy épp a Star Trek többször is körbejárja mind eme kozmikus szörnyetegek, mind pedig a fizikájukból következő, azonban még nem észlelt féregjáratok és fehér lyukak tematikáját. Habár egyes jelenségek nehezen foghatók fel ép emberi ésszel, nem szabad elfelednünk: a valóság sokkal furcsább a fikciónál.

Kele-man

Be the first to comment on "CineScience #1-Fekete lyukak (2.rész)"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*


Ez a weboldal az Akismet szolgáltatását használja a spam kiszűrésére. Tudjunk meg többet arról, hogyan dolgozzák fel a hozzászólásunk adatait..