A Fekete lyukak: rejtélyes égitestek galaxisunkban és azon túl címet viselő, Palicson megtartott előadáson szó esett arról, mik azok a fekete lyukak, megismertünk elméleteket, de arról is hallottunk, milyen tudományos módszerekkel lehet kimutatni a fekete lyukak létezését.

– Hogy miért is ezt a témát hoztam? A tapasztalataim azok, hogy a fekete lyuk az egyik legnépszerűbb téma, ami a csillagászathoz kapcsolódik, a másik a Földön kívüli élet – kezdte Kiss László bevezetőjében.

Dr. Kiss László csillagász

A fekete lyuk egy olyan égitest, amely egy nagy tömegű csillag összeomlásakor keletkezik, és olyan hatalmas gravitációval bír, hogy még a fény sem tud megszökni tőle. Sűrűségének köszönhetően meggörbíti a téridőt, határát eseményhorizontnak nevezzük.

– Einstein 1915-ben kidolgozta legnagyobb lényeggel bíró képletét, ez az általános relativitás, kitalált egy olyan formalizmust a görbült téridő leírására, ami addig nem létezett. Azt mondta, hogy a tömeggel bíró égitestek elgörbítik a téridőt, ekkor pedig az történik, hogy a testek vagy akár a fénysugarak lekövetik ezt a görbületet. Ennek következménye az, hogy ki tudjuk számolni, hogy különböző tömegű égitestek hogyan görbítik meg a téridőt. Ha egy foton rossz irányból érkezik, akkor a fekete lyuk képes csapdába ejteni, és aztán soha többet nem hagyja el a környezetét. Ennél érdekesebb az a tulajdonsága, ha kiszámoljuk, hogy mi történik a kialakuló sugárzási térben: kiderül, hogy a fekete lyuk kiüríti azt a teret, amelyből jön a fény, a megvilágítás. A fekete lyuk egy nagyon fura test, látjuk, ami mögötte van, az árnyéka pedig felénk mutat – mondta a csillagász.

A fekete lyukak kialakulása a csillagok működésével van összefüggésben. A csillagok belső magjában hidrogénatommagok egyesülnek héliummá, miközben hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. A csillag üzemanyaga azonban nem végtelen. Amikor a hidrogén elfogy, a mag belső szerkezete átalakul. Nagy tömegű csillagok esetében a folyamat egészen a vas kialakulásáig folyik, utána pedig a csillag végleg összeomlik. Az ennek következtében kialakult hatalmas robbanás létrehoz egy neutroncsillagot vagy nagy tömegű csillag esetén egy fekete lyukat.

– A Napunk egy csillag, 150 millió kilométerre a Földtől. Mit tud a mi Napunk? A magjában 15 millió fokos hőmérsékleten hidrogén-hélium fúzió történik, mint ami a hidrogénbombában, de a napunk hál’ istennek nem robban szét. Az energiatermelés szeretné szétvetni a csillag anyagát, de a csillag saját súlya ellenáll ennek. A Napunk egy olyan önszabályozó, termonukleáris erőmű, amely már 4,5 milliárd éve ennek a két erőnek a finom egyensúlyával áll össze. Egyrészt a saját súlya szeretné összefogni, az energiatermelés pedig szeretné szétfújni. Jó hírem van, a Napunk belsejében a hidrogén-hélium fúzió még 5 milliárd évig menni fog. Mi maga a fúzió? A csillag magjában történő atommagok ütköznek, konkrétan protonok protonokkal, és aztán létrejön belőle a hidrogén. Hidrogénből a héliumatommag, és a különbség, amely fellép, az, hogy a végeredmény a fúzióban kisebb tömegű, mint a kezdetben kiinduló atommagok tömege. A tömegkülönbség a híres einsteini képlet szerint energia formájában távozik. Így működik a fúziós energiatermelés. Mi történik egy csillaggal, ha kifogy a magjában a fúziós energia termelésére szükséges nyersanyag? Elkezd összezsugorodni a magja, hiszen a saját súlya szeretné összenyomni. A számítások azt mutatják, hogy amikor teljesen átalakul a mag hidrogénből héliummá, akkor összezsugorodik, és hirtelen beindul a hélium-szén fúzió. Ez 100 millió fokon történik, és amikor a hélium-szén fúzió is elfogyasztja az összes héliumot, akkor képes beindulni a szilíciumképződés. A szilíciummag pár nap alatt elfogy, átalakul vassá. A vas fúzióra már nem képes, pontosabban képes, de nem termeli az energiát, hanem igényli. Amikor egy nagy tömegű csillag magjában vasmag alakul ki, felborul az egyensúly, leáll az energiatermelés, és a csillag összeomlik. Felrobban szupernóvaként, és vagy neutroncsillag, vagy fekete lyuk lesz belőle – emelte ki az előadó.

A közönség soraiban már alig volt hely

Felmerül a kérdés: ha a fekete lyukak nem bocsátanak ki fényt, hogyan fedeztük fel őket? Az első egyértelműen azonosított fekete lyuk a Cygnus X-1 volt az 1970-es években, mely erős röntgensugárzást bocsátott ki, ez árulta el jelenlétét a kutatóknak. Újabb áttörést a gravitációs hullámok bemérése hozott, a LIGO-detektorok segítségével. A kutatások azt is kimutatták, hogy fekete lyukak gyakran előfordulnak a világegyetemben, szinte minden galaxis középpontjában található egy.

– Az elsőként egyértelműen fekete lyukként azonosított objektum, a Cygnus X-1 felfedezését 1973-ra datáljuk. A gyorsuló tömegek téridő-fodrozódásokat sugároznak – Einstein ezt már több mint száz évvel ezelőtt megjósolta, de 2015-ig várni kellett, hogy a fizikusok képesek legyenek kimérni. 1,2 milliárd fényévre tőlünk volt két fekete lyuk. Ezek egymás mögött keringtek, és életük végén összeolvadtak egy nagy fekete lyukká. Később ez a gravitációshullám-csomag megérkezett a Földre, 2015. szeptember 14-én. A gravitációs hullám megváltoztatja a téridő geometriáját, módosítja a hosszúságát. A néhány tíz Nap tömegű fekete lyukak észlelését már mondhatjuk rutinszerűnek. Ha megvizsgáljuk egy nagyobb galaxis központi régióit, találunk egy fekete lyukat, ami azt sugallja, hogy a galaxisok keletkezésében szerepet játszik, de nem tudjuk pontosan, hogy milyet – mondta László.

Bár a fekete lyukak értelmezése mára fejlett tudományterület lett, számos kérdés továbbra is megválaszolatlan. Például az általános relativitáselmélet megoldása, az Einstein–Rosen-híd vagy az úgynevezett féregjárat meredek elképzeléseket kínál.

– Az einsteini általános relativitáselméletnek van egy olyan megoldása a téridőre, amelyet Einstein–Rosen-hídnak hívnak, amikor a téridő geometriája olyan, hogy gyakorlatilag ha egy fotont elindítunk az 1-es számú pontból, akkor a hídon keresztül átjuthat egy olyan 2-es számú pontba, ami a valódi téridőben lehet, hogy millió fényévre van egymástól. Ezt a popkultúrában térugrásnak nevezik. Vannak még problémák, negatív energia meg negatív tömeg kell hozzá, és ez a mai fizikai tudásunk szerint nem létezik. Egyelőre még nem tudunk kísérleteket végezni a fekete lyukakkal, de mindenesetre remélem, sikerült megmutatni, hogy a fekete lyukak izgalmas égitestek – emelte ki zárógondolataiban a csillagász.

Az esemény kvízjátékkal ért véget, ahol a legjobbaknak ajándékkal kedveskedett az előadó. A program a Szekeres László Alapítvány szervezésében valósult meg.