Fekete lyuk – definíció, működés, Hawking-sugárzás és bizonyítékok

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.

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.

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.

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.

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.