Fekete lyuk

A fekete lyuk a tér olyan régiója, amelyben a gravitációs erő olyan erős, hogy semmi, még a fény sem tud elmenekülni.

A fekete lyuk alapszerkezete egy eseményhorizont által elrejtett szingularitásból áll. Az eseményhorizonton belül a menekülési sebesség ( vesc ) meghaladja a fénysebességet ( c ), és egy tárgy örökre csapdába esik. Az eseményhorizonton kívül a vesc < c, és az objektum képes elmenekülni.

Az ilyen objektumok létezését már az 1700-as évek végén felvetették. Azonban Karl Schwarzschild (1873-1916) német csillagász volt az, aki alapvetően kidolgozta a fekete lyuk modern elképzelését. Einstein általános relativitáselméletét felhasználva Schwarzschild felfedezte, hogy az egy pontba (ma szingularitásként ismert) tömörített anyagot a tér egy gömb alakú régiója zárja körül, ahonnan semmi sem tud kiszabadulni. Ennek a régiónak a határát nevezzük eseményhorizontnak, amely elnevezés azt jelenti, hogy nem lehet megfigyelni semmilyen eseményt, ami benne zajlik (mivel az információ nem tud kijutni).

Egy nem forgó fekete lyuk esetében az eseményhorizont sugarát Schwarzschild-sugárnak nevezik, és azt a pontot jelöli, ahol a fekete lyukból való menekülés sebessége megegyezik a fénysebességgel. Elméletileg bármilyen tömeg eléggé összenyomható ahhoz, hogy fekete lyukat alkosson. Az egyetlen követelmény, hogy a fizikai mérete kisebb legyen, mint a Schwarzschild-sugár. Például Napunk akkor válna fekete lyukká, ha tömegét egy körülbelül 2,5 km átmérőjű gömb tartalmazná.

Az eseményhorizonton belül található a fekete lyuk szíve, a szingularitás. Minden, ami az eseményhorizonton belül van, visszafordíthatatlanul erre a pontra húzódik, ahol a téridő görbülete végtelenné válik, és a gravitáció végtelenül erős. Az asztrofizikusok számára érdekes dilemma, hogy a szingularitáshoz közeli fizikai körülmények a fizika törvényeinek teljes összeomlását eredményezik. Mégis, az általános relativitáselméletben semmi sem akadályozza meg az elszigetelt vagy “csupasz” szingularitások létezését. Hogy elkerüljük azt a helyzetet, amikor valóban láthatnánk a fizika ezen összeomlását, javasolták a kozmikus cenzúra feltételezését. Ez azt állítja, hogy minden szingularitásnak rendelkeznie kell egy eseményhorizonttal, amely elrejti a szem elől – pontosan ezt találjuk a fekete lyukak esetében.

A fekete lyukakat teljes mértékben csak három paraméter jellemzi: tömeg, forgás és töltés. Jelenleg úgy gondolják, hogy a fekete lyukaknak 4 fő típusa létezik, ha a tömegük alapján osztályozzuk őket:

2. Az ősfekete lyukak tömege a Földéhez hasonló vagy annál kisebb. Ezek a tisztán hipotetikus objektumok az ősrobbanás idején nagy sűrűségű régiók gravitációs összeomlásával keletkezhettek.
4. A csillagtömegű fekete lyukak tömege körülbelül 4 és 100 naptömeg között van, és egy nagy tömegű csillag életének végén bekövetkező magösszeomlásából származnak.
6. Közepes tömegű, 102 és 105 naptömegű fekete lyukak is létezhetnek. Az első jó IMBH a HLX-1 röntgenforrás, amelyet az ESO 243-49 S0 galaxis középpontja közelében látható vetületben láttunk.
8. A szupermasszív fekete lyukak tömege 105 és 1010 naptömeg között van, és a legtöbb nagy galaxis középpontjában találhatók.

Alternatívaként a fekete lyukakat két másik tulajdonságuk, a forgás és a töltés alapján is osztályozhatjuk:

2. A Schwarzschild-féle fekete lyuk, más néven “statikus fekete lyuk” nem forog és nincs elektromos töltése. Kizárólag a tömege jellemzi.
4. A Kerr-féle fekete lyuk egy reálisabb forgatókönyv. Ez egy forgó fekete lyuk, elektromos töltés nélkül.
6. A töltött fekete lyuk kétféle lehet. A töltött, nem forgó fekete lyukat Reissner-Nordstrom fekete lyuknak, a töltött, forgó fekete lyukat Kerr-Newman fekete lyuknak nevezzük.

Az általános relativitáselmélet klasszikus elmélete szerint, ha egyszer létrejön egy fekete lyuk, akkor az örökké tart, mivel semmi sem menekülhet el előle. Ha azonban a kvantummechanikát is figyelembe vesszük, kiderül, hogy minden fekete lyuk végül elpárolog, mivel lassan Hawking-sugárzást szivárogtatnak. Ez azt jelenti, hogy egy fekete lyuk élettartama a tömegétől függ, és a kisebb fekete lyukak gyorsabban elpárolognak, mint a nagyobbak. Például egy 1 naptömegű fekete lyuk elpárolgása 1067 évig tart (sokkal tovább, mint az Univerzum jelenlegi kora), míg egy mindössze 1011 kg tömegű fekete lyuk 3 milliárd év alatt elpárolog.

A fekete lyukakat a nagyenergiájú jelenségek és a közeli objektumok mozgásának megfigyelésével észlelik. Az S2 csillagnak a Tejútrendszer középpontja körüli pályamozgásának ez a grafikonja erős bizonyítékot szolgáltat arra, hogy galaxisunk középpontjában egy szupermasszív (~3 millió naptömegű) fekete lyuk található.
Credit: ESO

A fekete lyukakra vonatkozó megfigyelési bizonyítékokat természetesen nem egyszerű megszerezni. Mivel a sugárzás nem tud kikerülni egy fekete lyuk szélsőséges gravitációs vonzása alól, nem tudjuk közvetlenül észlelni őket. Ehelyett nagyenergiájú jelenségek, például röntgensugárzás és sugárzások, valamint a rejtett tömeg körül keringő közeli objektumok mozgása alapján következtetünk a létezésükre. További bonyodalmat jelent, hogy hasonló jelenségeket figyelhetünk meg a kisebb tömegű neutroncsillagok és pulzárok körül is. Ezért a fekete lyukként való azonosításhoz a csillagászoknak meg kell becsülniük az objektum tömegét és méretét. Fekete lyukról akkor van szó, ha egyetlen más objektum vagy objektumcsoport sem lehet ilyen tömegű és tömör.