Fekete lyuk

John Michell (1724–1793) Newton gravitációs elméletét alkalmazva rámutatott 1783-ban, hogy egy elegendően nagy tömegű és kisméretű csillagnak olyan erős lenne a gravitációs tere, hogy a felszínéről semmi sem tudna elszakadni. A fény korpuszkuláris elméletét és Newton gravitációs elméletét felhasználva kiszámította, hogy a Nap sűrűségét feltételezve ennek a csillagnak a sugara 486-szorosa lenne a Napénak, a tömege pedig annak 120 milliószorosa. Ez volt az első említése egy olyan típusú csillagnak, aminek jóval később a „fekete lyuk” nevet adták.

1796-ban Laplace tőle függetlenül ugyanerre jött rá.

Karl Schwarzschild német csillagász 1916-ban, miközben a német hadseregben az első világháborúban az orosz fronton harcolt, megoldotta az Einstein általános relativitáselméletére vonatkozó egyenletet (lásd. Schwarzschild-metrika). Schwarzschild már 1900-ban (amikor 27 éves volt) benyújtott a német csillagászati társaság felé egy tanulmányt, amiben azt fejtegette, hogy a tér nem közönséges háromdimenziós dobozként viselkedik, hanem a gravitáció által furcsa módon „görbül”. Einstein hasonló megfogalmazást használt 1905-ben. Schwarzschild azt állapította meg tisztán matematikai úton, hogy ha egy csillag a saját gravitációja által egyre összébb húzódik, akkor a szökési sebesség egyre nagyobb lesz, míg eléri a fény sebességét. Vagyis az ilyen objektum közeléből a fény sem tud távozni. Az „eseményhorizont” fogalmát is Schwarzschild írta le, 1916-ban. Ő maga nem hitt benne, hogy mindez fizikailag is létezhet.

CygnusÖtven évvel később a csillagászok kezdték komolyabban venni Schwarzschild elképzelését a „láthatatlan csillag”-ról.

A fekete lyuk („black hole”) kifejezést John Archibald Wheeler tette ismertté egy 1967-es New York-i konferencián, bár ő maga mindig hangsúlyozta, hogy azt valaki más javasolta neki.

1971-ben Wheeler csoportjának számításai megerősítették, hogy a Cygnus X-1 röntgencsillag egy fekete lyuk körül kering.

A fekete lyuk egy olyan nagyon sűrű objektum, amelynek extrém tömege miatt gravitációja olyan elképesztő mértékű, hogy kialakul körülötte egy ún. eseményhorizont, ahol vonzása olyan erős, hogy semmi nem tud kijönni onnan, még a fény sem.

Amikor egy csillag összes üzemanyagát elégeti, összeroppan. Kisebb csillagok esetében, mint pl. a mi Napunk (vagy nála akár 3x nagyobb égitestek) sűrű neutroncsillaggá vagy fehér törpévé töppednek össze, de ha egy nagyobb csillag omlik össze, akkor a magja gravitációja olyan erős, hogy önmagába zuhanása nem ér véget, hanem addig-addig sűrűsödik, amíg csak egy fényelnyelő fekete lyuk marad belőle.

Az így keletkező fekete lyukak viszonylag aprók, de hihetetlenül sűrűk. Egy ilyen objektum több mint három Napnyi tömeget présel össze egy akkora területre, mint egy város. Ez nagymértékű gravitációhoz vezet, ami mindent a fekete lyuk felé húz. A fekete lyukak innentől folyamatosan növekednek, a csillagközi gázok, porok, fény elnyelésével.

Akréciós korongBár a kis, csillagokból keletkező fekete lyukak népesítik be a világegyetemet, akik uralják, azok a szupermasszív fekete lyukak. Egy ilyen monstrum akár több milliárd Nap tömegével is rendelkezhet, de sugaruk kb. csak akkora, mint a mi csillagunké. Feltételezik, hogy ilyen gigászok lapulnak a galaxisok kellős közepén, beleértve ebbe a miénket, a Tejutat is.

Egyik elmélet szerint több száz vagy több ezer ilyen kisebb objektum egyesülésével jönnek létre a szupermasszív fekete lyukak, de olyan is van, aki szerint a több fényévnyi kiterjedésű óriási gázfelhők, vagy komplett csillaghalmazok összezuhanása hozza létre őket. Mindkét elmélet erősen hátborzongató.

Másik elmélet a közepes fekete lyukak egyesüléséhez köti ezeket. Ilyen közepes objektum akkor keletkezhet, amikor több csillag ütközik gyors egymásutánban, és tömegük egy helyen zuhan össze, egy fekete lyukat formálva.

Mivel kis helyen meghökkentő tömeg összpontosul, őrült erősségű gravitációs vonzással bírnak, amelyből semmi nem menekül, emiatt nehéz megfigyelni a fekete lyukakat. A tudósok kénytelenek arra a sugárzásra építkezni, amit a por és gázok bocsátanak ki elnyelődésük folyamán. De ezt se túl egyszerű észlelni: minél nagyobb egy fekete lyuk, annál nagyobb gáz és porfelhő veszi körül, ami elnyeli ezt a sugárzást.

Stephen Hawking kimutatta 1974-ben, hogy a fekete lyuk környezetében a lyuk tömegének rovására részecskék keletkezhetnek (az energia átalakul anyaggá), ezáltal a lyuk tömege csökkenhet. Ez az anyagkeletkezés annál intenzívebb, minél kisebb a lyuk tömege. A tudósról Hawking-sugárzásnak elnevezett jelenség révén, ahogy a lyuk egyre kisebbé válik, úgy lesz az anyagkibocsátás egyre erősebb, míg végül a lyuk robbanásszerű hevességgel eltűnik. A fekete lyukba belekerülő anyag és sugárzás viszont a lyuk tömegét növeli. Ez ellensúlyozza az anyagkibocsátást, egészen addig, amíg a világegyetem hőmérséklete (2,7 kelvines kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás) a fekete lyuk felszíni hőmérséklete felett van (minél nagyobb tömegű a fekete lyuk, annál alacsonyabb, de – a viszonylag kis méreteket leszámítva – jóval 2,7 kelvin alatt, közel 0-hoz). Ez esetben viszonylag kis méret alatt azt kell érteni, hogy jelenleg holdunk tömegének megfelelő Schwarzschild-sugárral rendelkező fekete lyuk (azaz Holdunk tömegével megegyező tömegű fekete lyuk) van termikus egyensúlyban, ez az a méret, ahol ugyanannyi sugárzást bocsát ki a fekete lyuk, mint amennyit a háttérsugárzásból elnyelni képes (felszíni hőmérséklete éppen 2,7 kelvin). Ennél kisebb tömeg esetén a fekete lyuk (amennyiben csillagközi gáz, por, csillagfény vagy egyéb „pluszban nem táplálja”) tömege a párolgás miatt csökkenni fog. Nagyobb tömeg esetén pedig akkor is tovább fog nőni, ha csak a háttérsugárzás táplálja (ha a tömeg úgymond csak egy kicsivel nagyobb a kérdéses határnál, akkor a tömegnövekedés ideje is kicsi lesz, mivel a háttérsugárzás hőmérséklete gyorsabban csökken, mint ahogy a csupán háttérsugárzás által táplált lyuk felszíni hőmérséklete csökkenni tud a tömegnövekedés hatására). A világegyetem tágulása miatt a világegyetem hőmérséklete folyamatosan csökken, nullához konvergál (örökké táguló világegyetem esetén), ami pedig azt jelenti, hogy egy idő után bármely fekete lyuk felszíni hőmérsékleténél alacsonyabb lesz. Azaz egy idő után minden fekete lyuk tömege csökkenni kezd, végül teljesen elpárolog (örökké táguló világegyetem esetén (azért itt is előfordulhat elfajuló eset, például hiperbolikusan gyorsuló tágulás esetén a világegyetem mérete véges időn belül végtelen nagyra nőhet és nem biztos, hogy a fekete lyuknak lesz ideje elpárologni mielőtt a világegyetem „szétspriccel a végtelenbe”. Ha ez megtörténik, többé nincs értelme térről és időről beszélni, ahogy a kérdéses fekete lyukról sem). Zárt világegyetem esetében a helyzet a tágulás, majd az ezt követő összehúzódás paramétereitől, illetve a fekete lyuk tömegétől függ).

A fekete lyuknak három rétege van: a külső és a belső eseményhorizont, valamint a szingularitás.

Az eseményhorizont az a határvonal a fekete lyuk körül, amit átlépve az anyag (meg a hullámok, meg úgy kábé minden) felhagyhat minden reménnyel, már ami a szabadulást illeti. Ha egy részecske ide bekerül, ki már nem jön. A gravitáció állandó.

A fekete lyuk belseje, ahol a tömeg is van, az ún. szingularitás, az a pont a tér-időben, ahol a fekete lyuk koncentrálódik. A fizika klasszikus szabályai szerint semmi sem tud megszökni már a külső eseményhorizontból sem az univerzumba.

De a fizikában is van egy de, amit úgy hívnak, kvatummechanika. Ez pedig kimondja, hogy minden részecskének van egy anti-részecskéje, melynek ugyanazok a tulajdonságai, csak elektromos töltése ellentétes. Ha ezek találkoznak, kioltódnak. A kvantummechanika szerint ezek a részecskepárok az univerzum természetéből adódóan folytonosan keletkeznek és kioltódnak, ettől a világunk tulajdonképpen “pezseg”. Ha pedig az eseményhoriont környékén zajlik ez, lehetséges, hogy az egyik keletkezett részecske bezuhan, a másik kilökődik, ez az ún. Hawking-sugázás, amelynek keretein belül a fekete lyuk tulajdonképpen tömeget veszít, azaz igenis, tud valami kiszökni belőle.

Mivel a beléjük zuhanó anyag gyakorlatilag elveszíti szerkezetét, a fekete lyukaknak mindössze három, egymástól független tulajdonságuk van: tömegük, forgási sebességük és (elméletileg előrejelzett, a természetben elő nem forduló) elektromos töltésük.
NGC 7052 NGC 7052 (Stellarium)

forrás: hu.wikipedia.org/wiki/Fekete_lyuk, galaktika.hu/csillagok-felfaloi-a-fekete-lyukak/

filmek