Mi van a fekete lyukak belsejében?

This artist's impression shows a binary system containing a stellar-mass black hole known as IGR J17091 for short. Observations with Chandra have clocked the fastest wind ever seen blowing off a disk around this stellar-mass black hole at about 20 million miles per hour. The wind, which comes from a disk of gas surrounding the black hole, may be carrying away much more material than the black hole is capturing and could be variable over time. This result has important implications for understanding how this class of black hole, which typically weighs between 5 and 10 solar masses, can behave.

Először találtak közepes méretű fekete lyukat tőlünk 12 millió fényévnyire. A környezetéből származó röntgensugarak különös zenei ritmusban pulzálnak, mintha keringőznének, vagy énekelnének. Üzenhetnek-e a fekete lyukak?

Karl Schwarzschild - miközben szó szerint az első világháborúban harcolt - megoldotta Einstein általános relativitáselméletének egy egyszerűbb alakját. A megoldás pedig azt jósolta, hogy nem lehet akármilyen kis méretű egy adott tömegű test. Ha ennél mégis kisebbre zsugorodik, akkor fekete lyukká válik, létrejön az úgynevezett eseményhorizont, amin túl a fény sem távozhat belőle. A Föld esetében ez megközelítőleg egy centiméter sugarú gömb lenne. Ebbe a ping-pong labdába zsúfolódna be a bolygó teljes tömege. Ha valódi fekete lyukat szeretnénk készíteni, érdemes inkább óriási tömegű, de ahhoz képest kis méretű - vagyis jó sűrű - testekből kiindulni.

Akkor mégis vannak fekete lyukak?

Laura Mersini-Houghton úgy sejti, hogy nincsenek, de mióta ellentmondásos cikke megjelent, egyre több kritika bombázza azt. Nincs még tudományos konszenzus a témában, de Sabine Hossenfelder szerint a cikkben valószínűleg elszámolták a negatív energiákat és fekete lyukak mégis léteznek. Esetünkben a többséghez csatlakozunk, feltételezzük, hogy vannak fekete lyukak.

Felbőszítette a szaktekintélyt

Subrahmanyan Chandrasekhar 19 évesen kiszámolta, hogy bizonyos csillagok - stabil fehér törpék - nem lehetnek nehezebbek 1,44 naptömegnél. Ha egy fehér törpe mégis kihízza ezt a határt, akkor összeomlik, és fekete lyukká válik. A fekete lyuk nem csak mindenféle anyagot és a fényt nyeli el, a fiatal indiai kutató karrierjét is majdnem lehúzta a lefolyón: elméleteivel ugyanis sikerült felbőszítenie az angol csillagászat érinthetetlen fejedelmét, Sir Arthur Eddingtont. Eddington épp Einstein általános relativitáselméletének továbbfejlesztésével küszködött, hogy ezzel beírja magát a történelemkönyvekbe, amikor Chandrasekhar véletlenül keresztülhúzta a számításait - Eddington ezt követő bosszúja 30 évvel késleltette a fekete lyukak kutatását. Befolyása olyan nagy volt, hogy a kor nagyjai, mint Bohr, vagy Pauli egyetértettek ugyan Chandra elméletével, ám ezt akkoriban nem merték nyíltan beismerni.

Még nem tudni, hogy a képen szereplő Cygnus X-1 valóban fekete lyuk-e, a Rush mindenesetre már majdnem negyven évvel ezelőtt dalba foglalta Forrás: NASA/CXC/M.Weiss/Chandra X-Ray Observatory Center

Thor kalapácsa

A fehér törpék és a neutroncsillagok elképesztő sűrűségű objektumok: egy teáskanálnyi neutroncsillag egy egész hegy tömegével összemérhető. Egy ponton a csillag tömege olyan kis térrészbe sűrűsödhet, hogy eléri a holtpontot, a Schwarzschild-sugarat. Ekkor az egyik lehetőség, hogy Odin törpe kovácsokat küld, akik a haldokló csillag belsejében létrehozzák Thor legendás kalapácsát, a Mjölnirt. Másik lehetőség, hogy a csillag halálával megszületnek a kisebb fekete lyukak, amelyek általában a Nap tömegének nagyjából 25-szörösével rendelkeznek. A galaxisok magjában viszont ezeknél akár milliárdszor nagyobb, úgynevezett szupertömegű fekete lyukak terpeszkednek, amelyek kialakulásáról egyelőre nem sokat tudni, de feltehetőleg az Ősrobbanás után nem sokkal jöhettek létre.

Bennreked a fény?

Aki űrhajót akar építeni, számolnia kell a szökési sebességgel, ami ahhoz szükséges, hogy az űrhajó leküzdje a gravitációs erőt. Ahhoz, hogy egy baseball labda Föld körüli pályára álljon, 28 480 km/h-es kezdősebességgel kell azt elhajítani. Ekkor ugyanis már nem fog visszaesni, hanem Föld körüli pályára áll. Ez nem függ attól, hogy mit dobunk fel, ekkora sebességgel kellene egy elefántot is elhajítanunk, a lényeg, hogy honnan hajítunk. A Nap jóval nagyobb tömegű mint a Föld, így felszínéről több mint kétmillió km/h-val kell hajítani a labdát. A fekete lyuk esetében viszont ez a szökési sebesség meghaladja a fénysebességet is, így a fotonok sem lehetnek olyan gyorsak, hogy leküzdhessék. Azoknál pedig nincs gyorsabb.

A legizgalmasabb fekete lyukak viszont ezen két mérettartomány között helyezkednek el. Tudjuk, hogy a kisebbek összeomlott csillagokból keletkeznek és azt is, hogy az óriásiak körül egész galaxisok forognak, de egyelőre nincs logikus magyarázat a közepes méretűekre. A Világegyetemben vannak 100-1000 naptömegű fekete lyukak, amelyekről olyan keveset tudunk, hogy puszta létük is kétséges volt néhány héttel ezelőttig. A University of Maryland kutatóinak viszont sikerült azonosítani egy tőlünk 12 millió fényévre lévő, nagyjából 400 naptömegű fekete lyukat - ezzel végső soron bizonyítva létezésüket.

Három teleszkóp adataiból összerakott kompozit kép a Messier 82 galaxisról. Benne az X-1 fekete lyuk a legfényesebb objektum Forrás: NASA/H. Feng et al.

Több mint egy évtizede feltételezik már, hogy a Messier 82 galaxisban különös méretű fekete lyuk lehet. A NASA Rossi X-Ray Timing Explorer segítségével most sikerült olyan Röntgen-sugarakat észlelni a közeléből, melyek végérvényesen álátámasztották, hogy közepes méretű fekete lyukról van szó. Ebben azért olyan biztosak, mert a fekete lyuk közeléből származó röntgensugarak "keringőznek". A kutatók két jól elkülöníthető röntgenforrást azonosítottak, amelyek mintha nem lennének egymástól függetlenek: amíg az egyik kettőt "villan", addig a másik hármat. A ritmusból visszakövetkeztettek a fekete lyuk tömegére, ami 428 naptömegnek adódott (plusz-mínusz 105 naptömeg). A csoport nem ad magyarázatot a különös obejktum születésére, azt inkább az elméleti fizikusokra bízzák.

Nem úgy volt, hogy semmi nem jön ki a fekete lyukból?

Röntgensugárzás pedig mégis? Nem, az sem. A mérésekhez használt röntgensugarakkal nincs igazából probléma, azok a fekete lyuk eseményhorizontján kívül keletkeznek, és még el tudnak menekülni a gravitációs szívóerőtől. Ha valami átesik az eseményhorizonton, csak akkor nincs visszaút. Elvileg. A CERN Nagy Hadronütköztetője első beindításakor viszont a fekete lyukak keletkezésétől pánikba esett közvéleményt a fizikusok így nyugtatták: ha keletkeznek is fekete lyukak, azok mikroszkopikusak és azonnal elpárolognak. Ha elpárolog, akkor valami csak jön belőle. Hawking - máig nem bizonyított - elmélete szerint a fekete lyukak mégis sugároznak, bár mégsem teljesen igaz, hogy távozna belőlük bármi is.

Köddé válni

Részecskepárok folyamatosan ugrálnak ki a vákuumból, majd kioltva egymást újra eltűnnek. Ha keressük őket, sem biztos, hogy azok pont ott vannak, ahol hisszük. Ezek a részecskék virtuálisak, de Hawking szerint az eseményhorizont közelében lévő hatalmas gravitációs erő ezeket valódi részecske-antirészecske párrá alakítja. Ezek a párok pedig képesek lehetnek arra, hogy párolgásra bírják a fekete lyukakat. Az eseményhorizont - ahonnan már nem tud kilépni a fény - közvetlen közelében is keletkeznek ilyen kvantummechanikai részecskepárok. Egyenként nagy az energiájuk, az összegük viszont nulla kell, hogy legyen, így külső megfigyelő számára úgy tűnik, mintha az egyiknek negatív energiája lenne.

Mekkora egy fekete lyuk?

Ahogy látható, a tömegével nincs gond, azt meg lehet mérni a körülötte keringő égitestek mozgásából, vagy a röntgensugarakkal. De mekkora a sugara? Az eseményhorizont mindenképpen nagyobb, mint a fekete lyuk mérete, arról pedig nem tudhatunk sokat, hiszen definíció szerint nem láthatjuk. Keletkezésekor még egy elektronnál is kisebbé zsugorodik. Egészen odaáig, hogy eléri a Plank-hosszt. Ez pedig az elérhető legeslegkisebb méret, 10^-35 m. Ezalatt a tér és az idő fogalma radikálisan megváltozik.

Ezek a részecskepárok normál esetben - értsd, nem fekete lyukak mellett - egymást folyamatosan kioltják, így összességében mintha ott sem lennének. Eseményhorizont közelében viszont elképzelhető, hogy az egyiket elnyeli a fekete lyuk, a másik pedig messzire szökik onnan. Ahhoz, hogy az energiamegmaradás ne sérüljön, a negatív energiájú résznek kell elnyelődnie a fekete lyukban, a pozitív pedig elmenekülhet. A negatív a fekete lyukon belül biztosan talál egy részecskét, ami pont az ellentéte - vagyis ugyanolyan, mint amilyen elmenekült - és azzal újabb párt alkotva ismét eltűnik. Ha a negatív energiát hozzáadjuk a fekete lyukhoz, akkor végsősoron csökken a sajátja. Ezt nevezik a fekete lyuk párolgásának. Ez a folyamat annál gyorsabb, minél kisebb annak a mérete: egykilós fekete lyuk a másodperc tört része alatt elpárolog, így az LHC-ben esetlegesen keletkező apró fekete lyukak végképp ártalmatlanok. Még inkább nyugalomra ad okot, hogy az LHC meg sem tudja közelíteni azokat az energiákat, amelyekkel a Föld légkörében ütköznek a kozmikus sugarak: még ezek sem nyelték el a Földet.

Akkor mégis ki lehet jönni?

Valószínűleg nem, de igazából nem tudjuk. A kérdés az úgynevezett információs paradoxonhoz vezet: ha nem jöhet ki semmi, akkor ami már bement, arról minden információ elvész. Információt viszont a hőtan szerint lehetetlen elpusztítani. Bebetonozott fizikai törvény, hogy az entrópia sosem csökken, ez azt is jelenti, hogy mindent egyre bonyolultabb leírni. Egy gömb jellemzéséhez elég egyetlen adat, a sugara, de egy krumplinál már arról is számot kell adni, hogy hol van benyomódva, kicsit sárgul-e és így tovább. Sokkal egyszerűbb elmagyaráznom egy szobrásznak, hogy milyen gömböt szeretnék, mint, hogy pontosan milyen krumplit. A második főtétel pedig kimondja, hogy a a rendezetlenség felé haladunk: gömbből lehet krumpli, de krumpliból nem lehet gömb. Ez végső soron azt jelenti, hogy mindig egyre több információra van szükség egy rendszer leírásához. Fordítva ez nem lehetséges. Így visszakanyarodtunk ahhoz, hogy információt nem lehet elpusztítani. A fekete lyukak látszólag mégis ezt teszik.

A Tejútrendszer közepén lévő szupertömegű fekete lyuk Forrás: X-ray: NASA/CXC/UCLA/Z.Li et al; Radio: NRAO/VLA/Chandra X-Ray Observatory Center

Hawking 1997-ben azt mondta, hogy szerinte a fekete lyukakból mégis ki lehet nyerni valahogy - párolgással - az információt. Két lehetőség van: a belekerült információ vagy visszafejthető, vagy teljesen újat lehet belőle kisajtolni. Arról, hogy a kettő közül melyik az igaz, fogadott kollégájával, John Preskill-el. 2004-ben Hawking (aki szerint a fekete lyukból származó információ új) úgy gondolta, hogy végül is Preskill nyert (aki szerint az információ nem új). Ennek ellenére az nem fogadta el a fogadás tárgyát - egy baseball enciklopédiát - mivel szerinte a bizonyíték túl gyenge. Később Hawking azzal viccelődött, hogy az enciklopédiát porráégetve kéne átnyújtania Preskillnek, ő úgy is ki tudja szedni belőle az információt. Azóta sem tudtak megyezni abban, hogy melyiküknak van igaza, Richard Penrose szerint egyiküknek sem. Ő úgy gondolja, nem olyan nagy baj, ha egyszerűen elvész az információ, úgyis van elég furcsasága a kvantummechanikának, ennyi belefér (persze tudományosan alátámasztva). Jelenleg egyiküknek sincs bizonyítottan igaza. Kulcsszerepet kaphat ennek eldöntésében Einstein kedvence, a kvantumösszefonódás.

Mit mesél a szökött részecske?

Úgy volt, hogy a fekete lyukból nem jön semmi. Mégis, az eseményhorizont közelében keletkezett egyik részecske elmenekül, a párja pedig beleesik. Hordoz-e az elmenekült részecske információt arról, ami belül történt? A kvantummechanika egyik - Einstein szerint - legfurcsább tulajdonságához tartozik, hogy két részecske között akkor is fen áll az összefonódás, ha messze vannak egymástól. Amikor együtt keletkeznek, akkor különös kapcsolat van közöttük, mint valami misztikus ikerpárnál, akik érzik, ha a másikkal történik valami a világ másik felén. Ez van az összefonódott részecskéknél is: távolságuktól függetlenül közös, egymástól függő tulajdonságaik vannak. Mi történik tehát akkor, ha az összefonódott részecskék közül az egyiket elnyeli a fekete lyuk, a másik pedig elmenekül?

Ha a szökött részecske érzi, hogy mi történik elnyelt ikerpárjával, és el is tudja azt nekünk mesélni, akkor lehetséges, hogy mi mégis ki tudjuk szedni az információt a fekete lyukból. Az elnyelt részecske elmeséli ikerpárjának, mi pedig megkérdezzük attól, hiszen az el tudott menekülni. Ez megoldaná az információs paradoxont. Sabine Hossenfelder szerint nem lehet így csalni: ő úgy gondolja, hogy két pár összefonódott részecske bukik fel a kvantumvákuumból, kettő beleesik a fekete lyukba, kettő pedig elmenekül. Az összefonódott párok vagy kinn maradnak, vagy beesnek, de nem történik olyan, hogy egy összefonódott pár egyik tagja beleessen, a másik pedig nem - az ikerpáron keresztül tehát mégsem nézhetünk az eseményhorizonton túlra. Az információs paradoxon továbbra is megoldatlan.

A fekete lyukak tele vannak ugyan ellentmondásokkal, de törvényszerű, hogy ne ismerjük a szerkezetüket, hiszen ez a meghatározó tulajdonságuk, hogy az eseményhorizonton túlról soha nem tudhatunk semmit. Ha tudnánk, akkor az már nem is lenne fekete lyuk.