Csináljunk fekete lyukakat

Akár fekete lyukak is születhetnek a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítójában, amelyet jövőre helyeznek üzembe a CERN-ben. A kutatók szerint nem kell félnünk tőlük: nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak.

Csináljunk fekete lyukakat - javasolta a témakör két világhírű szakértője, Bernard J. Carr (Queen Mary College, Londoni Egyetem) és Steven B. Giddings (Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara) a Scientific American hasábjain. Természetesen nem nagy, csillagokat elnyelő fekete lyukakra gondoltak, hanem parányiakra. Ám a parányok előállítása is hatalmas berendezéseket, óriási részecskegyorsítókat igényel, tehát otthon továbbra sem kísérletezhetünk fekete lyukak gyártásával.

Genfben, a CERN részecskefizikai kutatóközpontban viszont jövőre helyezik üzembe a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítóját, a nagy hadron ütköztetőt (LHC), amelyben már születhetnek apró fekete lyukak. Van még egy komoly feltétel: csak akkor keletkeznek a gyorsítóban fekete lyukak, ha a tér nem háromdimenziós, hanem több dimenziója van. Erre viszont egyelőre nincs bizonyíték. Ha az LHC detektorai fekete lyuk megjelenését észlelik, akkor joggal gondolhatjuk, hogy sokdimenziós a tér. A szerzők alapos elemzése megnyugtató következtetéssel zárul: nem kell tartanunk a megjelenő parányi fekete lyukaktól. Nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak, rengeteg részecskét szétsugározva megszűnnek létezni. Megfigyelésük egy új fizika kezdetét jelentheti.

Fekete lyukak keletkezése az Ősrobbanáskor

Einstein általános relativitáselmélete szerint a kellő mértékben összenyomott anyag gravitációja olyan erős lesz, hogy kialakul egy térrész, amelyből semmi sem tud megszökni. Ennek a térrésznek a határa a fekete lyuk eseményhorizontja. A legegyszerűbb esetben, ha a tér háromdimenziós (vagy a rejtett dimenziók kisebbek a lyuk méreténél), akkor a fekete lyuk mérete egyenesen arányos a tömegével. Napunkból is fekete lyuk lenne, ha 3 kilométer sugarú gömbbé nyomnánk össze, a Földből pedig kilenc milliméteres átmérőnél válna fekete lyuk. Minél kisebb egy test, annál nagyobb mértékben kell összenyomni, az elérendő sűrűség a tömeg négyzetével fordítottan arányos. Egy naptömegnyi fekete lyukban a sűrűség kb. 10¹⁹ kg/köbméter - az atommagok sűrűsége ennél kisebb. Gravitációs összeomlással ennél sűrűbb anyag nem jön létre, mert az elemi részecskék közti taszító kvantumhatások lehetetlenné teszik.

Stephen W. Hawking és tanítványa, Bernard J. Carr, a cikk egyik szerzője az 1970-es évek elején vetette fel, hogy a Világegyetem történetének kezdetén is keletkezhettek fekete lyukak. Az Ősrobbanás után nagyon nagy volt az anyagsűrűség, az első mikroszekundumban jóval nagyobb volt az atommagok sűrűségénél. A fizika törvényei szerint a természetben maximum 10⁹⁷ kg/köbméter sűrűség létezhetett az Ősrobbanás után, ez az ún. Planck-határ. Ekkora sűrűségnél 10^-35 méter átmérőjű fekete lyukak keletkezhettek, 10^-8 kg tömeggel. A gravitáció elmélete szerint ez a lehetséges legkisebb fekete lyuk. Tömege jóval nagyobb egy elemi részecskéénél, a mérete viszont sokkal kisebb (még egy 10¹² kg tömegű fekete lyuk is kisebb lenne egy protonnál).

A korai Világegyetem hatalmas sűrűsége elengedhetetlen előfeltétel fekete lyukak keletkezéséhez, de egyáltalán nem biztos, hogy valóban keletkeztek is ilyen objektumok. Szükség volt még ún. sűrűségfluktuációra: az anyag olyan tartományban hagyott fel a tágulással és kezdett fekete lyukká összeomlani, ahol a sűrűség nagyobb volt az átlagosnál.

Fekete lyukak keletkezhettek a Világegyetem nagyobb átalakulásainál (fázisátmeneteinél) is, pl. a gyors tágulással jellemzett ún. inflációs szakasz végén, vagy amikor a protonok összeálltak kvarkokból.

Párolgó és robbanó fekete lyukak

Hawking 1974-ben meglepő következtetésre jutott: a fekete lyukak nemcsak elnyelik a részecskéket, hanem ki is bocsátják azokat. Egy fekete lyuk hőmérsékletétől függően sugároz, hőmérséklete pedig fordítottan arányos a tömegével. Egy naptömegnyi fekete lyuk hőmérséklete kb. egymilliomod kelvin, ami kimutathatatlan a mai Világegyetemben és műszereinkkel. A kisebb tömegű lyukaknak azonban magasabb a hőmérséklete: egy 10¹² kg tömegű fekete lyuk 10¹² kelvinen sugároz, és ez már elegendő ahhoz, hogy fotonokat és tömeggel rendelkező részecskéket, pl. elektronokat és pozitronokat sugározzon ki. (A példában szereplő egybillió kg tömeg körülbelül egy hegység tömege.) A részecskekibocsátás energiát visz el, csökken a lyuk tömege és egyre forróbbá válik. Tehát a fekete lyuk nem stabil - egyre nagyobb energiájú részecskéket bocsát ki, egyre gyorsabban és gyorsabban fogy. A folyamatnak akkor szakad vége, amikor az egyre csökkenő tömeg már csak 106 kg, ekkor a lyuk felrobban. A fekete lyuk élettartama kezdeti tömegének harmadik hatványával arányos. Egy naptömegnyi fekete lyuk élettartama 10⁶⁴ év, ami kimutathatatlanul hosszú idő. Egy 10¹² kg tömegű fekete lyuk élettartama kb. tízmilliárd év, ez a Világegyetem korának nagyságrendje. Ha voltak ekkora fekete lyukak, akkor ezek mostanában is párologhatnak, robbanhatnak. A kisebbek, ha voltak, már korábban eltűntek.

Milyen jele lehet annak, ha ma a Világegyetemben valahol felrobban egy fekete lyuk? Tömegének nagy része valószínűleg gammasugarak formájában jelentkezne. Sokféle gammakitörést észleltek már, ezek közül a legrövidebb idejű kitörések hozhatók esetleg a fekete lyukakkal kapcsolatba, de megjelenésükre más ésszerű magyarázat is létezik. Az égbolt megfigyelése ezért egyelőre nem ad választ a kérdésekre.

Kilencdimenziós térnél már van esély

Jövőre a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, az LHC-ban körülbelül 7 teravolt energiára gyorsítják fel a protonokat. Ez az energia 10^-23 kg tömegnek, a proton nyugalmi tömege 7000-szeresének felel meg. A 10^-23 kg tömeg azonban nagyon messze esik a hagyományos gravitációelmélet szerint elképzelhető lehető legkisebb fekete lyuk 10^-8 kg tömegétől. Ha a világ a hagyományos gravitációelmélet szerint működik, akkor nincs remény arra, hogy fekete lyukkal találkozzunk a részecskeütközéseknél. Legalább 15 nagyságrenddel nagyobb részecskeenergiára lenne szükség. Ennek megvalósítása viszont elképzelhetetlen.

A fizikusok régóta fáradoznak a gravitáció és a kvantumelmélet összeillesztésén, a gravitáció kvantumelméletének kidolgozásán. Az egyik legígéretesebb megoldás, a húrelmélet háromnál több térdimenzióval számol. A többi kölcsönhatástól eltérően a gravitáció ezekbe az extra dimenziókba is behatol, és rövid távon rendkívül erősre nőhet. Háromdimenziós térben négyszeresre nő a tömegvonzás, ha a két tárgy közti távolság a felére csökken. 9-dimenziós térben ez az erősödés 256-szoros lesz. A gravitáció így megnövekedett erősségének köszönhetően sokkal alacsonyabb lesz az a határ, ahol még fekete lyuk létrejöhet. A részletes számítások szerint már az LHC-ban is létrejöhetnek fekete lyukak, ha valóban 9 dimenziós a tér. A legoptimistább becslés szerint másodpercenként 1 fekete lyuk keletkezhet a részecskeütközésekben.

Ha keletkezik fekete lyuk, akkor könnyű lesz megfigyelni, és az ütközés egyéb termékeitől megkülönböztetni. Az ütközések helyén minden irányban nagyon nagy energiájú részecskék serege lép ki, ezeket észlelik a detektorok. A részecskék között az összes ismert részecskeféleség megjelenése várható.

Aggodalmak

Szabad-e ilyen merész kísérletbe kezdeni? - kérdezik sokan aggódva. Közismert, hogy a nagy fekete lyukak akár egész csillagokat képesek elnyelni, magukba olvasztani. Lehetséges, hogy a parányi fekete lyukak is elnyelik környezetüket, és fokról-fokra akár egész bolygónkat?

A kutatók biztosan abban, hogy a mikroszkopikus fekete lyukak nem lehetnek stabilak, ezt lehetetlenné teszik a kvantumfizika sokszorosan beigazolódott törvényei. A parányi fekete lyukak tehát instabilak, gyorsan elbomlanak. A megfigyelések is ezt igazolják. A természetben is zajlanak nagyenergiájú részecskeütközések, ezekben is keletkezhetnek fekete lyukak. A 10⁹ teravolt energiájú kozmikus részecskék a légkörbe érve évente mintegy 100 fekete lyukat hozhatnak létre. Ha születnek fekete lyukak a fejünk felett, akkor ezek ártalmatlannak bizonyultak.

Ha a részecskeütközésekben megjelennek a fekete lyukak, akkor bizonyítják a tér rejtett dimenzióinak a létezését. Ezzel eljutunk a legkisebb méretekhez, a Planck-határokhoz - a Planck-hosszúságnál kisebb távolságnak nincs értelme. A fizika egyik területe lezárul, de megjelenik egy feltárandó izgalmas új világ, az extra dimenziók világa.

Jéki László