Halálos spirál - a fekete lyukak valóban léteznek<br/>

A Hubble-űrtávcső megfigyelései minőségileg új, a fekete lyukak természetét figyelembe véve közvetlen bizonyítékot szolgáltatnak e titokzatos égitestek létezésére.

A fekete lyukak különböző típusainak keletkezését mind a csillagfejlődési elméletek, mind a galaxisok központi területeit leíró modellek megjósolják. Az elmúlt években egyre gyűltek azok a megfigyelések, amelyek közvetett módon bizonyították e titokzatos égitestek létezését. A fekete lyukak természetéből fakadóan azonban közvetlen megfigyelésük nem lehetséges, hiszen hatalmas tömegvonzásuk miatt közvetlen környezetükben a szökési sebesség meghaladja a fény sebességét, így még a fotonok sem tudnak elszakadni tőlük. A fekete lyukakból sem anyag, sem energia nem távozhat el, semmilyen információnk nincs a benne zajló folyamatokról. Határvonalukat ezért eseményhorizontnak nevezzük.

Ebben a vonatkozásban jelenthet áttörést az Amerikai Csillagászati Társaság 197. közgyűlésén 2001. január 11-én bejelentett eredmény, amely az eseményhorizont közelében lévő forró gázanyag viselkedésének megfigyelésére alapul. A Hubble-űrtávcső adatainak segítségével a csillagászok első ízben fedeztek fel az eseményhorizont felé spirális pályán mozgó, majd elhalványuló, végül eltűnő anyagtömeget. Az észlelt jelenségek egyetlen magyarázata a mai elméletek szerint csak az lehet, hogy az anyag egy fekete lyukba hullott be.

Részletes információk az új felfedezésről

A felfedezés még a Hubble-űrtávcső 1992-ben végzett megfigyelésein alapul, amelyek során körülbelül 1 milliárd elemet tartalmazó adattömeg gyűlt össze az egyik legrégebben ismert fekete lyuk, a Cygnus XR-1 környezetéről.

Az elméleti modellek

A Cygnus XR-1 a Földtől 6000 fényévnyire fekvő csillagtömegű fekete lyuk, amely feltehetően egy egykori óriáscsillag magjának végső összeroppanása során keletkezett. Az elméleti modellek megjósolják, hogy a Cygnus XR-1 társcsillagáról folyamatosan anyag áramlik a fekete lyuk felé, amely egy lapos, korongszerű képződménybe, az úgynevezett tömegbefogási korongba gyűlik körülötte. A modellek szerint a korong belső széle és az eseményhorizont között - csillagtömegű fekete lyukak esetében - körülbelül 1500 kilométer széles résnek kell lennie, ezen belül a korong anyaga a hatalmas erejű gravitációs mező miatt már nem mozoghat stabil pályán.

Amikor a korong anyagsűrűsége meghalad egy bizonyos értéket, akkor belső része instabillá válik, anyagcsomók szakadnak le belőle és áramlanak a fekete lyuk felé (lásd a fenti ábrát). A csomók bezuhanása egyre szűkebb spirális pályán történik, miközben az anyaguk összenyomódik és felhevül. Ha a hőmérséklet meghalad egy bizonyos értéket, akkor hatalmas energiakitörések következnek be, amelyek a behulló anyag egy részét visszalökik, s a korongra merőleges anyagkilövellések (jetek) alakulnak ki. Az anyag egy része azonban végleg eltűnik az eseményhorizonton.

Az eseményhorizont felé spirálozó anyagcsomó fénye a modellek szerint pulzálni kezd, amint őrült sebességgel másodpercenként több ezer keringést végez a fekete lyuk körül. Az iszonyatosan erős gravitációs mezőben olyan (relativisztikus) hatások lépnek fel, amelyek miatt a gázcsomó fénye egyre erősebb vöröseltolódást szenved, s fokozatosan elhalványul. Nagyon egyszerűen megfogalmazva ez azért következik be, mert az általános relativitáselmélet következtében az erős gravitációs mezőben az idő lelassul, ennek következtében a gázcsomó atomjainak rezgési frekvenciája csökken, így egyre kisebb energiájú fotonok kibocsátására képesek, ami a színképet a vörös, vagyis a nagyobb hullámhosszak felé tolja el.

A konkrét megfigyelések

Tömegbefogási korongokat már sok esetben sikerült kimutatni, csillagtömegű és a galatikus centrumokban elhelyezkedő fekete lyukak esetében egyaránt. Egyetlen bizonytalan kivételtől eltekintve azonban még nem sikerült kimutatni, hogy a korongból valóban anyag hullik a fekete lyukba.

A HST ultraibolya fotométerének érzékenységére jellemző, hogy egy csillagméretű fekete lyuk eseményhorizontjától alig több mint 1500 kilométerre lévő anyagtömeget is képes kimutatni. Joseph F. Dolan és munkatársai (NASA Goddard Space Flight Center) ezért a fent leírtaknak megfelelő jelenségeket kerestek a HST adattömegében. Az adatbázis feldolgozása majdnem nyolc évet vett igénybe, s a kutatók szerint olyan munka volt, mint a tű keresése egy szénakazalban. Végül két "behullási eseményt" sikerült azonosítani.

Az ultraibolya fotométer adataiban két olyan eseménysort találtak, amely egy-egy gázcsomó fényének lüktetésével kapcsolatos, az eseményhorizont közelében. Az egyik esetben hat, a másikban hét pulzációt azonosítottak, majd mindkét fényforrás örökre eltűnt. Sikerült kimutatni a fent említett gravitációs vöröseltolódást és elhalványodást is. Világos az is, hogy ha nem egy fekete lyuk lenne az "anyagbegyűjtő", akkor a gázcsomóknak a felszínére kellett volna zuhanniuk, nagy mennyiségű energiát és sugárzást szabadítva fel.

A kutatók elismerik, hogy a két megtalált esemény egyelőre nem alkalmas mélyebb következtetések levonására, tény azonban, hogy teljesen összhangban vannak az elméleti előrejelzésekkel, s eddig egyedülálló felfedezésnek számítanak.

S. T.

Fekete lyukak

A fekete lyukak a téridő azon tartományai, amelyekbe anyag és sugárzás csak belehullhat, de kijönni semmi sem képes. Még elektromágneses sugárzás, így a fény sem hagyhatja el a fekete lyukat, innét ered a neve. Ennél azonban többről van szó: mivel a fekete lyukakból sem anyag, sem energia nem távozhat el, semmilyen információnk nincs a benne zajló folyamatokról. Határvonalukat ezért eseményhorizontnak nevezzük.

A fekete lyukakban a gravitáció minden más erőt felülmúl, s az anyag egy számunkra ismeretlen, végtelenül sűrű állapot felé omlik össze, amit szingularitásként írhatunk le. A fekete lyuk a térnek e szingularitás körüli tartománya, az eseményhorizont sugarát pedig az ún. Schwarzschild-rádiusz adja meg, ami viszont a tömegtől függ. (Ha az illető anyag a Schwarzschild-rádiusznál kisebbre préselődik össze, akkor haladja meg a szökési sebesség a fény sebességét.)

Egy M tömeg Schwarzschild-rádiusza kilométerben könnyen kiszámítható az

R_S = 2 GM/c²

képlettel, ahol G az általános gravitációs állandó, c pedig a fénysebesség. Ez alapján a Nap Schwarzschild-rádiusza mintegy 3 km, a Földé pedig 1 cm.

Fekete lyuk elméletileg minden anyagtömegből keletkezhet, ha a Schwarzschild-rádiuszánál kisebbre nyomódik össze. Jelenleg azonban csak két olyan hatékony mechanizmust ismerünk, amely létrehozhatja ezeket az egyelőre csak feltételezett objektumokat. Az egyik a nagy tömegű csillagok magjának összeomlása közvetlenül a szupernóva robbanás előtt. Az igazán nagy fekete lyukak azonban nem így jöttek létre: a legnagyobb szörnyetegeket a galaxismagokban találjuk.

Az elméletek szerint az aktív galaxisok magjaiban fekete lyukak húzódnak meg, és iszonyatos tömegvonzásuk révén folyamatosan maguk köré gyűjtik a galaxis anyagát, a gázfelhőket és a kifejlett csillagokat. A csillagokat aztán a roppant mértékű gravitáció szabályosan szétszakítja, így anyaguk a gázfelhők anyagával együtt egy örvénylő korongot képez a fekete lyuk körül. Ebből az úgynevezett tömegbefogási korongból az anyag a fekete lyuk felé zuhan. A behulló anyag végső eltűnése előtt hatalmas energiára tesz szert, amely sugárzás formájában szabadul fel. Ez a sugárzás adja az aktív galaxisok magjainak iszonyatos fényerejét. A lyuk felé zuhanó anyag egy részét a felszabaduló energia visszasöpri a világűrbe, két ellentétes, a tömegbefogási korongra merőleges irányú anyagkilövellés, idegen szóval jet (ejtsd: dzset) formájában.

A Tejútrendszer egy csillagváros (galaxis), amelyben a becslések szerint legalább 100 milliárd csillag van, s az egyik a mi Napunk. A Tejútrendszer központjában a feltételezések és főleg az eddigi rádiócsillagászati mérések szerint egy gigantikus méretű fekete lyuk helyezkedik el, amelyet - természetéből fakadóan - a környezetére gyakorolt gravitációs hatások alapján tudunk tanulmányozni. Kialakulását ma is rejtély övezi: talán egykori, igen nagy tömegű csillagok magjainak összeolvadásával jött létre milliárd évekkel ezelőtt.

Tömegbefogási korongra láthatunk egy igazi példát. Az NGC 4261 jelű objektumról régóta tudjuk, hogy aktív galaxis. A Hubble-űrtávcső a mag belsejébe is bepillantott. Az eredményt ezen a felvételen vehetjük szemügyre, amelyen egy 800 fényév szélességű, spirál alakú, gázból és porból álló tömegbefogási korong látható. A korong a galaxis magjában lévő szupernehéz fekete lyuk körül kering, amelynek tömege mintegy 1,2 milliárd naptömeg lehet. A korong tömege 100 ezer naptömeg lehet, és a számítások szerint 100 millió év alatt fogja elnyelni a fekete lyuk.

A Chandra röntgenműhold kitűnő érzékenységének és felbontásának köszönhetően lehetővé vált a Tejútrendszer magjában lévő röntgensugárzó anyag kimutatása. A felvételen diffúz gázba ágyazódó pontforrások figyelhetők meg, amelyek közül a kép középpontjában lévő lehet a feltételezett fekete lyuk. A röntgensugárzás a lyukba behulló anyag felhevülése miatt szabadul fel

Ajánló:

Angol nyelvű információk, animáció, videók az Űrtávcső Tudományos Intézet honlapján. A Hubble-űrtávcső felvételén egy fekete lyuk körül keringő, torzult tömegbefogási korong látványa tárul a szemünk elé. A Chandra röntgenműhold először vette szemügyre legközelebbi nagy galaxis-szomszédunkat, az Androméda-ködöt. A mag területén hemzsegő röntgenforrások között sikerült azonosítni a fekete lyuk környékét, amelyet viszonylag alacsony hőmérsékletű gázanyag tölt ki. 2000. szeptember 27. Csillagászok első ízben figyelték meg, amint a Tejútrendszer magjában lévő hatalmas fekete lyuk elképesztő ütemben megnöveli a körülötte keringő csillagok sebességét. Minden eddiginél pontosabban meghatározható a 2,6 millió naptömegű objektum helyzete és tömege.

Korábban:

2000. március 27. A Nottingham Egyetem (Birmingham, Nagy-Britannia) csillagászai az első közvetlen bizonyítékot szolgáltatták arra vonatkozóan, hogy a galaxismagokban lévő fekete lyukak életük során "hajlamosak az elhízásra". 2000. július 5. A galaxisok szívében megbújó óriási fekete lyukak nem születtek eleve nagynak, hanem fejlődésük során a nekik otthont adó galaxisok által szigorúan "adagolt" gáz- és csillagétrenden nőttek mai méretükre. 2000. július 24. Egy közeli galaxis, az NGC 4438 középpontjában tanyázó szupernehéz fekete lyuk nem éppen illedelmes étkezési szokásaiba adnak betekintést a Hubble űrtávcső itt látható felvételei.