Fekete lyuk

A fekete lyuk olyan égitest, amelynek a felszínén a szökési sebesség eléri vagy meghaladja a fénysebesség értékét.Létezésüket az általános relativitáselmélet jósolta meg. Fekete lyuk keletkezik akkor, ha egy véges tömeg a gravitációs összeomlásnak nevezett folyamat során egy kritikus értéknél kisebb térfogatba tömörül össze. Ekkor az anyag összehúzódását okozó gravitációs erő minden más anyagi erőnél nagyobb lesz, s az anyag egyetlen pontba húzódik össze. Ebben a pontban bizonyos fizikai mennyiségek (sűrűség, téridő-görbület) végtelenné válnak (lásd: Gravitációs szingularitás). A szingularitást körülvevő térrészben a gravitáció olyan erős, hogy onnan sem anyag, sem fény nem szabadulhat ki. E gömb alakú térrész határfelülete az eseményhorizont, sugara az ún. Schwarzschild-sugár. Az eseményhorizonton belülre kerülő anyag vagy sugárzás belezuhan a szingularitásba.

A fekete lyukak létezése mind elméletileg, mind csillagászati megfigyelésekkel jól alátámasztott (például Chandra űrtávcső). A lyuk elnevezés alatt nem a szokásos értelemben vett lyukat kell érteni, inkább a világűr egy részét, ami mindent elnyel, és ahonnan semmi nem tud visszatérni.

Másképpen, a fekete lyuk olyan égitest, mely – hatalmas sűrűségénél fogva – nagy tömege ellenére elég kicsi, hogy elférjen az általa létrehozott eseményhorizontban. Ebben az esetben ugyanis az égitest minden pontja az eseményhorizonton belül van, tehát az eseményhorizonton kívülről nem látható (fekete lyuk).

A fekete lyuk („black hole”) kifejezést eredetileg John Archibald Wheeler találta ki egy 1967-es New York-i konferencián.

Lehet-e élet a fekete lyuk belsejében

Szeretnénk erre a kérdésre válaszolni, de hogy olyan választ adjunk, ami újat is hoz ebben a régi témában, a téridõ hagyományos, anyagközpontú feltérképezése helyett a zsák elmélet által definiált, fény alapú mértéket fogunk használni. Kezdjük az elején. Induljunk el abból az állapotból, amikor egy kiégett nagyméretû csillagból neutroncsillag válik, majd a gravitáció hatására összeroppan, és elkezdõdik a fekete lyukká válás folyamatának utolsó fázisa. Az egyre jobban összesûrûsödõ plazma egyre nagyobb mértékben deformálja el a teret, amit a fénysugarak egyre nagyobb mértékû elhajlása mutat. Az általunk használt koordinátarendszerben azonban adott tömegû anyagot nem lehet a végtelenségig összenyomni. Mondhatnánk azt is, hogy a tér nem visel el korlátlan anyagsûrûséget, habár a válasz ennél jóval összetettebb, ezért ezt a kérdést itt bõvebben nem tárgyaljuk. Ha tovább követjük az összenyomódás folyamatát, találunk egy olyan pontot, ahol befelé zuhanásra már nem mondhatjuk, hogy befelé zuhanás, hiszen hiába haladunk továbbra is irányváltoztatás nélkül, mégsem kerülünk közelebb a centrumhoz, sõt... Egy idõ után határozottan azt mérjük majd, hogy távolabb kerültünk tõle. A tér itt zsák szerûen felfúvódik és folyamatosan tágul. Egy ideális, már teljesen kialakult, úgy nevezett Schwarzschild fekete lyuk esetén ennek a belsõ térrésznek vannak olyan pontjai is, melyek középponttól általunk mért távolsága végtelen. A végeredmény egy féreglyuk két univerzum között. A tér most leírt helyi felfúvódása tekinthetõ egy új univerzum születésének is. Gyanítható, hogy a mi õsrobbanásunk is egy ilyen esemény lehetett, mi pedig egy ilyen, fekete lyukban megszületett univerzumban élünk. Ezek alapján a címben feltett kérdésre nyugodtan adhatunk igenlõ választ.

Fekete lyuk

A téridő olyan tartománya, amelyből anyag és energia nem léphet ki. Eredetileg csillag vagy galaxismag, ami összehúzódott, egészen addig az állapotig, amikor a szökési sebessége meghaladja a fénysebességet. Határvonala az ún. eseményhorizont: az eseményhorizonton belül keletkező fény soha nem juthat ki. Feltételezik, hogy mindenféle tömegű fekete lyuk létezhet. Néhány erős röntgensugárzást kibocsátó kettőscsillag társa lehet fekete lyuk. Feltételezik, és egyre inkább bizonyítást nyer, hogy galaxisunk középpontjában egy 2,6 millió naptömegű fekete lyuk van, amely a belezuhanó anyag miatt erős röntgensugárzásforrás.

A fekete lyuk kialakulásának lépései:

A fekete lyukba zuhanás természetrajza

Visszanyerhetnénk-e számítógépünk információit, ha az egy fekete lyukba zuhanna? Egy elmélet szerint a fekete lyuk által kisugárzott részecskékben ott lesz az összes olyan részecske, amelyekből elvileg először számítógépünk atomjait, majd atomról-atomra az egész szerkezetet összerakhatjuk. Az alábbi összeállítás a fizikai tudás határaival foglalkozó sorozat második része, amely a Scientific American c. tudományos-ismeretterjesztő lap különszáma alapján készült. A fekete lyukak és az információs paradoxon viszonyát bemutató, Leonard Susskind tollából származó cikket Jéki László fizikus "szelídítette meg" és egészítette ki Olvasóink számára. Vissza lehet-e szerezni azt az információt, amit egy fekete lyuk által elnyelt anyag hordozott? Ha a regényünk kéziratát őrző számítógép belezuhan egy fekete lyukba, akkor művünk örökre elveszett? Elsőre egyszerűnek tűnik a válasz: az információt nem lehet visszaszerezni. Viszont ha elég sokáig várunk, akkor a fekete lyuk elpárolog, kisugározza teljes tömegét, az elemi részecskékből tehát elvileg összeállítható a hajdan elnyelt anyagminta. Persze erre sokat kellene várni, kb. 1070 évet. (Ebben az írásban csak nagyon nagy és nagyon kis számok szerepelnek, olyan nagyok és olyan kicsik, hogy azokra a nagyságrendekre szavunk sincs, ezért hatványformában írjuk fel őket. 1070 szokásos leírásánál az 1-es szám után 70 db nullát kell írni. Összehasonlításul: a Világegyetem eddigi életkora "mindössze" kb 15 milliárd év, vagyis 1,5 x 1010 év.) Stephen W. Hawking szerint az információ gyakorlatilag elveszik. A klasszikus- és a kvantumfizikában érvényesülő mikroreverzibilitás, vagyis az események megfordíthatósága a fekete lyuk világában sérül: a fekete lyukak a visszafordíthatatlanság forrásai a természetben. Gerard't Hooft, a fizikai Nobel-díj 1999. évi egyik elnyerőjének álláspontja szerint a fekete lyukak sem sérthetik meg a kvantummechanika jól ismert törvényeit. Ha nem érvényes a mikroreverzibilitás, akkor az energiamegmaradás sem teljesül. Ha Hawkingnak igaza lenne, akkor a Világegyetem hőmérséklete a másodperc törtrésze alatt 1031 fokra emelkedne. A legnagyobb fizikusok véleménye tehát megoszlik. Hawking állítása, miszerint a fekete lyuk információt nyel el, a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet közötti komoly ellentmondás lehetőségére hívta fel a figyelmet. A problémát információs paradoxonnak nevezik. Ha a folyamatok megfordíthatósága nem teljesül, akkor energia keletkezhet vagy szűnhet meg. Az információvesztés hatalmas energiamennyiség keletkezéséhez vezetne, ezért Hooft és az írás szerzője, Leonard Susskind szerint léteznie kell egy olyan megoldásnak, amellyel ez elkerülhető, vagyis a fekete lyukba hullott információ valahogyan elérhető a külvilág számára.

Egy fekete lyuk természetrajza

Egyesek szerint a fekete lyukon belüli történéseken elmélkedni teljesen felesleges. A szerző szerint viszont ezen múlik, mik lesznek a jövőben a fizika törvényei. A fekete lyukon belüli kölcsönhatások az elemi részecskék közti kölcsönhatások szélsőséges esetei. A mai részecskegyorsítókkal elérhető energiákon (10¹² elektronvolt) a részecskék közti gravitációs kölcsönhatás elhanyagolható. Ha a részecske energiája sok-sok nagyságrenddel nagyobb, pl. 10²⁸ elektronvolt lenne, akkor a gravitáció válna a meghatározó kölcsönhatássá, a többi hatása elhanyagolható lenne hozzá képest. Az lenne jó, ha kísérletekben tanulmányozhatnánk ezeknek a fantasztikusan nagy, ún. Planck-energiájú részecskéknek a kölcsönhatásait, és a kísérleti eredményekre építhetnénk a fizika új elméleteit. Ez azonban lehetetlen, mivel becslések szerint a Planck-energiák eléréséhez akkora gyorsítóra lenne szükség, mint amekkora a ma ismert Világegyetem.

Maradnak tehát az elméleti vizsgálatok. Sok fizikus azt gyanítja, hogy az elemi részecskéknek olyan, ma még ismeretlen belső szerkezete van, amelyet a Planck-energiák fizikája határoz meg. Planck-energiákon zajló részecskeütközéseknél olyan hatalmas tömeg koncentrálódhat parányi térfogatban, hogy fekete lyuk jön létre, majd elpárolog.

Fekete lyuk akkor keletkezik, ha annyi tömeg, annyi energia sűrűsödik össze egy kis térfogatban, hogy a gravitáció legyőzi az összes többi erőt, és minden összeomlik a saját tömege alatt. Az anyag elképzelhetetlenül kis térfogatba, ún. szingularitásba nyomódik össze, a sűrűség pedig gyakorlatilag végtelen a belsejében. A szingularitást egy képzeletbeli felület, az ún. eseményhorizont veszi körül. E horizont két tartomány határvonala, a fekete lyuk belső és külső részét választja el egymástól. A horizonton belülről nincs visszatérés, a belső tartományból semmi sem léphet ki a külsőbe. Ha a fekete lyuk tömege akkora, mint egy galaxisé, akkor a horizont 10¹¹ kilométerre terjed ki a középponttól (körülbelül ekkora a Naprendszer). Ha a fekete lyuk tömege naptömegnyi, a horizont 1 kilométeres, egy kisebb hegy tömegét magába foglaló fekete lyuk horizontja már csak 10^-13 cm, ami nagyjából egyetlen proton mérete.