Fekete lyuk – definíció, működés, Hawking-sugárzás és bizonyítékok
Fekete lyuk – mi az, hogyan működik, Hawking-sugárzás és bizonyítékok: áttekintés eseményhorizontról, észlelésről, szupermasszív példákról (Sagittarius A*) és megfigyelésekről.
Fekete lyuk alatt a térnek azt a régióját értjük, ahonnan semmi — még a fény sem — tud kilépni. Ez a jelenség az általános relativitáselmélet szerint a téridő olyan erőteljes görbülésének eredménye, amelyet egy nagy tömeg hoz létre. A fekete lyuk határát, ahonnan nincs visszatérés, eseményhorizontnak nevezzük. Az elnevezés azért „fekete”, mert a fekete lyuk környékéről nem érkezik visszavert fény: a tárgyak és a sugárzás elnyelődnek, hasonlóan egy tökéletes fekete test viselkedéséhez a termodinamikában.
Szerkezet és jellemzők
A legegyszerűbb elméleti modellben egy nem forgó, töltés nélküli fekete lyuk középpontjában egy gravitációs szingularitás található, ahol az általános relativitáselmélet előrejelzése szerint a sűrűség és a görbület végtelenné válik, és a hagyományos fizika szabályai érvényüket veszíthetik. Ettől kifelé haladva az eseményhorizont határolja le azt a gömbfelületet; a sugara a tömegtől függ, ezt a Schwarzschild-sugárral szokás jellemezni. Forgó fekete lyukaknak (Kerr-fekete lyukak) tágasabb, bonyolultabb szerkezetük van, kialakulhat ún. ergoregió is, ahol a téridő forgása miatt energiát lehet kinyerni.
Típusok és méretkategóriák
- Csillagközi (stelláris) fekete lyukak: néhányszoról több tíz naptömegig terjedő tömegűek, tömeges csillagok gravitációs összeomlása során keletkeznek.
- Intermedier tömegű fekete lyukak: néhány száz–több ezer naptömegűek; létezésükre egyre több bizonyíték van, de kialakulásuk és gyakoriságuk még kutatott téma.
- Szupermasszív fekete lyukak: millióktól több milliárd naptömegig terjednek, általában galaxisok központjában találhatók.
- Primordiális fekete lyukak: elméleti elképzelés szerint a Világegyetem korai, sűrű időszakaiban keletkezhettek; ha léteznek, nagyon kis tömegű példányok időközben el is párologhattak.
Kialakulás
A csillagok végső evolúciós stádiumai során a nagy tömegű csillagok magjai szupernóva-robbanás után összeomlanak, és ha a maradék tömege elég nagy, a gravitáció összezárja a magot fekete lyukká. Szupermasszív fekete lyukak keletkezésére több elmélet létezik: folyamatos növekedés akkréció és összeolvadások révén, vagy gyors, közvetlen összeomlás a korai világban.
Megfigyelési jelek
Bár közvetlenül a fekete lyukat nem látjuk, jelenlétükre több módon lehet következtetni:
- Csillagok mozgása: egy fekete lyuk gravitációs hatása megváltoztatja a körülötte keringő csillagok pályáit; az ilyen mozgások pontos mérésével meghatározható a központi tömeg és sűrűség (ez alapján következtetnek például a galaxisok központi fekete lyukaira). Az ilyen módszerre utal az a megfigyelés is, amely 16 éves csillagpálya-elemzés után 2008-ban meggyőző bizonyítékot szolgáltatott egy több mint 4 millió naptömegű szupermasszív fekete lyuk jelenlétére a Tejútrendszer középpontjában, a Sagittarius A* környékén.
- Akkréciós sugárzás: ha egy kísérőcsillag vagy a környező köd anyaga a fekete lyukba zuhan, a gáz anyaga spirálisan befelé áramlik egy akkréciós korongban, felhevül és röntgen- és gammasugárzást bocsát ki. Ezt a sugárzást földi és Föld körüli távcsövekkel lehet észlelni.
- Relativisztikus jetek: sok aktív galaktikus magnál erős radiosugárzású, keskeny anyagkiáramlásokat (jeteket) látunk, amelyeket az akkréciós folyamatok és mágneses térkonstrukciók generálnak.
- Gravitációs hullámok: két fekete lyuk összeolvadása erős gravitációs hullámkitörést hoz létre; ezeket olyan interferométerekkel (LIGO/Virgo) érzékelték közvetlenül, ezzel közvetlen bizonyítékot nyerve fekete lyukak létezésére és összeolvadásuk dinamikájára.
- Közvetlen képi megjelenítés: a Rendezett Távcsőhálózat (Event Horizon Telescope) radiointerferometriával egészen apró szögfelbontásokat ért el, és megalkotta a M87* fekete lyuk árnyékáról készült első képet — ez új, közvetlen módon mutatja az eseményhorizont körüli fényelhajlást.
Hawking‑sugárzás és fekete lyuk‑termodinamika
A kvantummechanika és az általános relativitás kombinációja alapján Stephen Hawking kimutatta, hogy a fekete lyukaknak effektív hőmérsékletük van, és Hawking‑sugárzást bocsátanak ki. A sugárzás kvantummechanikai párképződésként írható le: a vákuumban keletkező részecske‑antirészecske párok közül az egyik tag a fekete lyukba kerülhet, míg a másik elszökik, így a fekete lyuk energiát (és tömeget) veszít. A Hawking‑hőmérséklet fordítottan arányos a fekete lyuk tömegével: nagy, csillagászati tömegű fekete lyukak nagyon hidegek és hosszú élettartamúak; kis tömegűek viszont gyorsabban párologhatnak el. A fekete lyukakra alkalmazott termodinamikai törvények (pl. a horizont területe nem csökken) fontos kapcsolatokat adnak a gravitáció és a hőelmélet között.
Elméleti kérdések: információs paradoxon és kvantumgravitáció
A Hawking‑sugárzás felveti az ún. információs paradoxont: ha a fekete lyuk teljesen elpárolog, hova kerül a beszippantott anyag kvantuminformációja? A klasszikus általános relativitáselmélet és a kvantumelmélet összeegyeztetése itt kihívást jelent; ennek megoldása a kvantumgravitációs elméletek kutatásának egyik központi motivációja. További fontos elméleti elemek a no‑hair tétel (amely szerint a külső megfigyelő számára egy fekete lyuk csak néhány paraméterrel — tömeg, töltés, spin — jellemezhető), valamint a szingularitás problémája, ahol várhatóan új fizika lép be.
Összegzés — miért fontosak a fekete lyukak?
A fekete lyukak nem csak különleges és extrém objektumok: laboratóriumként szolgálnak a gravitáció és a kvantumelmélet szélsőséges találkozásának vizsgálatához, segítenek megérteni a galaxisok fejlődését és az univerzum legenergiadúsabb folyamatait. Megfigyelésük (csillagmozgások, röntgensugárzás, gravitációs hullámok, közvetlen képalkotás) mára több, egymástól független bizonyítékot adott létezésükre, miközben elméleti kihívások — mint az információs paradoxon vagy a szingularitás természetének leírása — továbbra is intenzív kutatási területet jelentenek.
Egy fekete lyuk által okozott gravitációs lencsézés szimulációja, amely eltorzítja a háttérben lévő galaxis képét (nagyobb animáció)
A szupermasszív fekete lyuk a Szűz csillagképben található Messier 87 szuperóriás elliptikus galaxis magjában. A fekete lyukat elsőként sikerült közvetlenül leképezni (Event Horizon Telescope, 2019. április 10-én jelent meg).
Történelem
1783-ban egy John Michell nevű angol lelkész azt írta, hogy lehetséges, hogy valami olyan nehéz, hogy fénysebességgel kell haladni, hogy megszabaduljunk a gravitációjától. A gravitáció annál erősebb, minél nagyobb vagy masszívabb valami. Ahhoz, hogy egy kis dolog, például egy rakéta, elmeneküljön egy nagyobb dologtól, például a Földtől, ki kell szabadulnia a gravitációnk vonzása alól, különben visszazuhan. Azt a sebességet, amellyel felfelé kell haladnia, hogy eltávolodjon a Föld gravitációjától, szökési sebességnek nevezzük. A nagyobb bolygók (mint a Jupiter) és a csillagok nagyobb tömegűek, és erősebb gravitációval rendelkeznek, mint a Föld. Ezért a szökési sebesség sokkal gyorsabb. John Michell úgy gondolta, lehetséges, hogy valami olyan nagy legyen, hogy a szökési sebesség gyorsabb legyen, mint a fénysebesség, így még a fény sem tudna elmenekülni. 1796-ban Pierre-Simon Laplace ugyanezt az elképzelést népszerűsítette Exposition du système du Monde című könyvének első és második kiadásában (a későbbi kiadásokból törölték).
Néhány tudós úgy gondolta, hogy Michellnek igaza lehet, mások viszont úgy vélték, hogy a fénynek nincs tömege, és nem vonzza a gravitáció. Elméletét elfelejtették.
1916-ban Albert Einstein megírta a gravitáció általános relativitáselméletnek nevezett magyarázatát.
- A tömeg hatására a tér (és a téridő) elhajlik, vagyis görbül. A mozgó dolgok "végigesnek" vagy követik a tér görbületeit. Ezt nevezzük gravitációnak.
- A fény mindig azonos sebességgel halad, és a gravitáció is befolyásolja. Ha úgy tűnik, hogy sebességet változtat, akkor valójában a téridő görbéje mentén halad.
Néhány hónappal később, az első világháborúban szolgálva Karl Schwarzschild német fizikus Einstein egyenleteit felhasználva kimutatta, hogy létezhet fekete lyuk. 1930-ban Subrahmanyan Chandrasekhar megjósolta, hogy a Napnál nehezebb csillagok összeomolhatnak, amikor elfogy a hidrogén vagy más nukleáris üzemanyag, amit elégethetnek. 1939-ben Robert Oppenheimer és H. Snyder kiszámította, hogy egy csillagnak legalább háromszor akkora tömegűnek kell lennie, mint a Nap, hogy fekete lyukat képezzen. 1967-ben John Wheeler találta ki először a "fekete lyuk" elnevezést. Ezt megelőzően "sötét csillagoknak" nevezték őket.
1970-ben Stephen Hawking és Roger Penrose kimutatták, hogy a fekete lyukaknak létezniük kell. Bár a fekete lyukak láthatatlanok (nem láthatóak), a beléjük hulló anyag egy része nagyon fényes.
Fekete lyukak keletkezése
Gravitációs összeomlás
A hatalmas (nagy tömegű) csillagok gravitációs összeomlása "csillagtömegű" fekete lyukakat okoz. A korai világegyetemben a csillagkeletkezés során nagyon nagy tömegű csillagok keletkezhettek, amelyek összeomlásakor akár 103 naptömegű fekete lyukak keletkeztek. Ezek a fekete lyukak lehetnek a legtöbb galaxis középpontjában található szupermasszív fekete lyukak magjai.
A gravitációs összeomlás során felszabaduló energia nagy része nagyon gyorsan szabadul fel. A távoli megfigyelő a gravitációs idődilatáció miatt látja, hogy a beömlő anyag lelassul és megáll az eseményhorizont felett. A közvetlenül az eseményhorizont előtt kibocsátott fény végtelen sokáig késik. A megfigyelő tehát soha nem látja az eseményhorizont kialakulását. Ehelyett úgy tűnik, hogy az összeomló anyag egyre halványabbá és egyre inkább vörös eltolódásúvá válik, végül pedig elhalványul.
Szupermasszív fekete lyukak
Fekete lyukakat találtak az ismert világegyetem szinte minden galaxisának közepén. Ezeket szupermasszív fekete lyukaknak (SBH) nevezik, és ezek a legnagyobb fekete lyukak. Akkor keletkeztek, amikor az Univerzum még nagyon fiatal volt, és az összes galaxis kialakulásában is közreműködtek.
A kvazárokat feltehetően a távoli galaxisok középpontjában lévő SBH-kba összegyűjtött anyag gravitációja hajtja. A kvazárok középpontjában lévő SBH-kból a fény nem tud kiszabadulni, így a kiszabaduló energiát a gravitációs feszültségek és a beérkező anyagra ható hatalmas súrlódás az eseményhorizonton kívülre hozza.
Hatalmas központi tömegeket (106-109 naptömeg) mértek kvazárokban. Több tucat közeli nagy galaxis, amelyeknek nincs nyoma kvazármagnak, hasonló központi fekete lyukat tartalmaznak a magjukban. Ezért úgy gondolják, hogy minden nagy galaxisban van egy, de csak egy kis hányaduk aktív (elégséges akkrécióval a sugárzás erejéhez), és így kvazároknak tekinthetők.
Hatás a fényre
A fekete lyuk közepén van egy gravitációs központ, az úgynevezett szingularitás. Ebbe nem lehet belelátni, mert a gravitáció megakadályozza, hogy a fény elmeneküljön. Az apró szingularitás körül van egy nagy terület, ahol a fényt, amely normális esetben elhaladna, szintén beszippantja. Ennek a területnek a szélét eseményhorizontnak nevezzük. Az eseményhorizonton túli terület a fekete lyuk. A fekete lyuk gravitációja a távolodással egyre gyengül. Az eseményhorizont a közepétől legtávolabb eső hely, ahol a gravitáció még mindig elég erős ahhoz, hogy a fényt csapdába ejtse.
Az eseményhorizonton kívül a fény és az anyag továbbra is a fekete lyuk felé húzódik. Ha a fekete lyukat anyag veszi körül, az anyag "akkréciós korongot" (az akkréció jelentése "összegyűjtés") képez a fekete lyuk körül. Az akkréciós korong úgy néz ki, mint a Szaturnusz gyűrűi. A beszívódás során az anyag nagyon felforrósodik, és röntgensugárzást lövell ki az űrbe. Gondoljunk erre úgy, mint a vízre, amely a lyuk körül forog, mielőtt belezuhan.
A legtöbb fekete lyuk túl messze van ahhoz, hogy láthassuk az akkréciós korongot és a jetet. Az egyetlen módja annak, hogy megtudjuk, hogy egy fekete lyuk ott van, ha látjuk, hogyan viselkednek körülötte a csillagok, a gáz és a fény. Ha egy fekete lyuk van a közelben, még a csillag méretű objektumok is másképp mozognak, általában gyorsabban, mintha a fekete lyuk nem lenne ott.
Mivel a fekete lyukakat nem látjuk, más eszközökkel kell kimutatni őket. Amikor egy fekete lyuk áthalad köztünk és egy fényforrás között, a fény elhajlik a fekete lyuk körül, és tükörképet hoz létre. Ezt a hatást nevezzük gravitációs lencsézésnek.
Einstein-kereszt: négy kép egy kvazárról
Művészi kép: egy fekete lyuk, amely lehúzza egy közeli csillag külső rétegét. Egy energiakorong veszi körül, amely sugárzást bocsát ki.
Hawking-sugárzás
A Hawking-sugárzás a fekete lyukak által kibocsátott fekete testsugárzás, amely az eseményhorizont közelében fellépő kvantumhatásoknak köszönhető. Nevét Stephen Hawking fizikusról kapta, aki 1974-ben elméleti érveket szolgáltatott a létezéséről.
A Hawking-sugárzás csökkenti a fekete lyuk tömegét és energiáját, ezért a fekete lyuk elpárolgásának is nevezik. Ez a virtuális részecske-antirészecske párok miatt történik. A kvantumfluktuációk miatt ilyenkor az egyik részecske beesik, a másik pedig az energiával/tömeggel együtt távozik. Emiatt várható, hogy azok a fekete lyukak, amelyek több tömeget veszítenek, mint amennyit más módon nyernek, zsugorodnak és végül eltűnnek. A mikrofekete lyukak (MBH-k) az előrejelzések szerint nagyobb nettó sugárzást bocsátanak ki, mint a nagyobb fekete lyukak, ezért gyorsabban kellene zsugorodniuk és eloszlaniuk.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a fekete lyuk?
A: A fekete lyuk a tér olyan régiója, ahonnan semmi, még a fény sem tud kiszabadulni. Akkor kezd létezni, amikor a téridő egy hatalmas tömeg által meggörbül, és van egy eseményhorizontja, amelyet semmi sem hagyhat el, ami benne van.
K: Miért fekete a fekete lyuk?
V: A fekete lyukak azért feketék, mert elnyelik az összes fényt, ami rájuk esik, és semmit sem ver vissza, akárcsak a termodinamikában a tökéletes fekete test.
K: Hogyan találják meg az emberek a fekete lyukakat?
V: Az emberek úgy találják meg a fekete lyukakat, hogy nyomon követik a valahol az űrben keringő csillagok mozgását, vagy amikor a fekete lyukba hulló gáz felmelegszik és nagyon fényessé válik, amit a Földön lévő távcsövekkel vagy a Föld körül keringő teleszkópokkal lehet látni.
K: Vannak szupermasszív fekete lyukak?
V: Igen, a csillagászok szinte minden galaxis középpontjában találtak bizonyítékot szupermasszív fekete lyukakra. 2008-ban a csillagászok bizonyítékot találtak arra, hogy a Tejútrendszer galaxis Sagittarius A* része közelében egy több mint négymillió naptömegű szupermasszív fekete lyuk található.
K: Befolyásolja-e a kvantummechanika azt, ahogyan a fekete lyukakra tekintünk?
V: Igen, a kvantummechanika szerint a fekete lyukaknak van hőmérsékletük, és Hawking-sugárzást bocsátanak ki, ami miatt lassan kisebbek lesznek.
K: Mi történik egy fekete lyuk belsejében?
V: Egy fekete lyuk belsejében a fizika szabályai nagyon különböznek attól, amit mi itt a Földön tapasztalunk.
Keres