Az univerzum nagy titka: fehér lyukak, ahol visszafelé megy az idő

Az általános relativitáselmélet nem határozza meg az idő irányát

Egy új kutatás szerint az univerzum legkülönlegesebb objektumai, a fehér lyukak a rejtélyes sötét anyag alkotórészei lehetnek. Legalább is ezt írja tanulmányában a Baszk Egyetem két kutatója, Carlo Rovelli és Francesca Vidotto. A fehér lyukak a szupersűrű elfajult anyagból álló fekete lyukak ellentettjei. Amíg a fekete lyukak mindent elnyelnek, addig viszont a fehér lyukak mindent eltaszítanak, ami miatt a fehér lyukak eseményhorizontjába semmi sem tud belépni.

Kapu nyílhat egy másik univerzumba?

1916-ban amikor Ludwig Flamm osztrák fizikus átvizsgálta Karl Schwarzschild megoldását az Einstein mező egyenleteire - amely a fekete lyuk egy sajátos formáját, az úgynevezett Schwarzschild-féle fekete lyukat írja le -, felfedezte, hogy lehetséges másik megoldás is, ami a fehér lyuk jelenségét írja le.

Karl Schwarzschild német fizikus Forrás: Wikimedia Commons

(Egy test Schwarzschild-sugara az ugyanannyi teljes energiájú, gömbszimmetrikus fekete lyuk eseményhorizontjának a sugara. Égitestek tömegének alternatív mértékegységeként is alkalmazható.)

A fekete lyuk eseményhorizontjának művészi ábrázolása. Az eseményhorizont az a határ, amelyen belül már kizárólag a fekete lyuk gravitációs ereje érvényesül Forrás: Wikimedia Commons

Flamm azt is észrevette, hogy a két megoldás a téridő két különböző régióját írja le,

amelyek - legalább is matematikailag - összekapcsolódhatnak egyfajta sajátos téridő-csatorna által, és hogy a fekete lyuk bejárata a fehér lyuk kijárata lehet ugyanannak az univerzumnak totálisan másik részében, vagy akár egy másik univerzumban. A fehér lyuk lényegében a fekete lyuk teoretikus, időbeli megfordítása.

A fehér lyuk a fekete lyuk ellentettje Forrás: American Physical Society

Amíg a szupersűrű fekete lyuk iszonyatos gravitációs ereje miatt mindent beszippant ami átlépi az eseményhorizontját,

addig a fehér lyuk viszont mindent „kilő” a saját eseményhorizontjától.

Néhányan úgy vélik, hogy valamennyi fekete lyuk különleges „ikertestvére", a másik oldalán található fehér lyuk, ami mindent, amit a fekete „testvére" beszippant, kifúj egy másik univerzumba.

A fehér lyuk kapu lehet a világegyetem egy másik pontjára, vagy akár egy új univerzumba is Forrás: Sputnik News

E teória képviselői azt feltételezik, hogy az ősrobbanás is egy ilyen jelenség eredménye lehet.

Elméletileg teljesen el kellene tűnniük, ami viszont lehetetlen

1935-ben Einstein tovább kutatta a problémát Nathan Rosen-nel együtt, amelyre az Einstein-Rosen híd, vagy ismertebb nevén az úgynevezett féregjárat lett a megoldásuk. Az einsteini elmélet alapján elvileg minden fekete lyuk rendelkezhet féregjárattal.

Albert Einstein, az elméleti fizikai egyik legnagyobb alakja Forrás: Popperfoto/Getty Images/2011 Popperfoto/Popperfoto/Getty Images

2014-ben Carlo Rovelli a francia Aix-Marseille Egyetem elméleti fizikusa és kollégái felállítottak egy másik elméletet, amely szerint lehetséges, hogy a fekete és a fehér lyukak más módon kapcsolódnak össze: amikor a fekete lyuk „meghal”, egyszerűen fehér lyukká válik.

Albert Einstein és Nathan Rosen Forrás: Origo

A tanulmány szerint, amikor a fekete lyuk eléri azt az állapotot, amikor már nem tud tovább zsugorodni, mert a téridő nem nyomódik össze jobban, fehér lyuk formájában éled újjá.

Fekete lyuk művészi illusztrációja Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

Rovelli tehát azt állítja,

hogy a fekete lyuk egy bizonyos állapot elérése után szükségszerűen fehér lyukká válik.

Fekete lyukak elsősorban a különösen nagy tömegű csillagok halálát okozó gravitációs összeomlás (gravitációs kollapszus) nyomán bekövetkező szupernóva-robbanás eredményeként keletkezhetnek.

Az extra nagy tömegű csillagokaz életük végén vörös óriássá fújódnak fel, majd a gravitációs összeomlás során bekövetkezik a szupernóva robbanás. Bizonyos kritikus tömegnél a csillag maradványai fekete lyukká omlanak össze Forrás: RMirandinha\Deviantart

Az 1970-es években Stephen Hawking elméleti alapon kiszámította, hogy minden fekete lyuknak olyan sugárzást kell kibocsátania, amellyel tömeget veszít.

Stephen Hawking elméletileg megjósolta, hogy a fekete lyukak is sugároznak,és a sugárzással tömeget veszítenek Forrás: Heavy.com

A Hawking-sugárzás létét sikerült is bebizonyítani.

Mindezek alapján azoknak a fekete lyukaknak, amelyek több tömeget veszítenek, mint amennyit nyernek, végül teljesen el kellene tűnniük, semmivé, matematikai ponttá kellene összezsugorodniuk, ami lehetetlen.

Fekete lyuk szimulációs ábrája Forrás: Phys.org

Rovelli és kollégái szerint azonban az anyagot vesztő fekete lyukak eltűnésének problémája áthidalható, ha a téridő-szövetet is kvantumnak tekintjük.

Az univerzum nagy rejtélye: a sötét anyag

A sötét anyag a tudomány egyik legnagyobb rejtélye. Nem tudni miből áll, hiszen láthatatlan, nem bocsát ki semmit, nem veri vissza a fényt, és nem is blokkolja azt. Az univerzumban való jelenlétét csak a normál anyagra gyakorolt gravitációs hatása mutatja ki.

A kvantummechanika nagy kérdései, mint például a sötét anyag problematikája, még megoldásra várnak Forrás: CERN

Egyes feltételezések szerint lehetséges, hogy a sötét anyag az ősi tömegüket fokozatosan elvesztő fekete lyukak Planck-tömegű maradványának tekinthető.

Max Planck német Nobel-díjas elméleti fizikus, a róla elnevezett állandó bevezetője Forrás: Wikimedia Commons

A 1960-as 1970-es évek elméleti munkái azt sugallták,

hogy fekete lyukak másodlagosan az ősrobbanásból is származhatnak,

mivel a kezdeti forróságban fluktuálódott az anyagsűrűség, és az univerzum nagyon gyorsan inflálódott.

Az ősrobbanás művészi ábrázolása Forrás: Solar Story

Azok a fluktuációk pedig, amelyek az anyagot koncentrálták összeomolhattak, fekete lyukakat formálva.

Ezek az úgynevezett ősi fekete lyukak jóval kisebbek, mint a csillagtömegű fekete lyukak,

és ezért már átalakulhattak fehér lyukakká. A Naphoz közeli csillagok mozgása azt mutatja, hogy a sötét anyag lokális sűrűsége a Nap tömegének 1 %-a lehet köbparszekenként.

Az univerzum története az ősrobbanástól Forrás: ELTE

(A parszek a csillagászatban használatos távolságegység. Az a távolság, ahonnan egy csillagászati egység, azaz a Nap-Föld távolsága – 149,9 millió km-, 1 ívmásodperc parallaxis alatt látszik azaz 1 parszek 3,26 fényév távolságnak felel meg. A köbparszek pedig olyan térhasáb, amelynek minden éle 1-1 parszek. )

Ma még uralkodónak számít a szkeptikus álláspont

Az univerzum hemzseg a fekete lyukaktól, és talán a fehér lyukaktól is. Vannak tudósok, akik kételkednek a fehér lyukak létezésében, de korábban így volt ez a fekete lyukakkal is.

Az ALMA (Atacama Large Millimeter Array) rádióteleszkópjai a csillagos eget fürkészik Forrás: YouTube

Rádióasztronómusok évtizedeken át észleltek fekete lyukba eső anyagtól származó jeleket anélkül, hogy tudták volna mit is figyelnek meg valójában. 1972-ben a Nobel-díjas fizikus, Steven Weinberg Gravitáció és Kozmológia (Gravitation and Cosmology) című könyvében

még azt írta, hogy a fekete lyuk létezése nagyon is hipotetikus,

és fekete lyukak eleve nem létezhetnek az univerzum bármely ismert objektumának a gravitációs mezejében.

Steven Weinberg Nobel-díjas fizikus is eleinte szkeptikus volt a fekete lyukak létét illetően Forrás: CERN

Mint utóbb kiderült, tévedett a híres tudós.

Ma már számos asztrofizikai bizonyítékkal rendelkezünk arra, hogy a világegyetem szabályosan nyüzsög a fekete lyukaktól.

Bob Wald amerikai fizikus hasonlóképpen vélekedik a fehér lyukakról, mint korábban Weinberg tette azt a fekete lyukak létezésével kapcsolatban.

A fehér lyukak létét sokan vitatják Forrás: Business Insider

Wald álláspontja szerint nincs okunk azt hinni, hogy az univerzum bármely régiója megfelelne egy fehér lyuknak. Tegyük hozzá, ma még ez számít domináns véleménynek.

A fehér lyukak feltárhatják, hogy mi történik a fekete lyuk belsejében

Világszerte számos kutatócsoport kezdte el azt a lehetőséget vizsgálni a közelmúltban, hogy a kvantummechanika csatornát nyithat-e fehér lyukak titkára. Az ég ugyanúgy nyüzsöghet fehér lyukaktól is, mint a fekete lyukaktól – vélik egyes tudósok. A fehér lyukak létezésének bizonyításával megoldhatóvá válna egy nagy rejtély, nevezetesen, hogy mi folyik a fekete lyukak belsejében.

A nagy rejtély, hogy mi történhet az eseményhorizonton túl Forrás: Origo

A fekete lyuk körül kígyózó nagy mennyiségű anyag, - amit végül elnyel az égitest - észlelhető, de senki sem tudja, hogy mi történik a továbbiakban.

A fekete lyukak Hawking-sugárzását, azaz tömegvesztését bizonyító eredmények új muníciót jelentenek a hipotézisnek, amely szerint a fehér lyuk a sötét anyag összetevője lehet, amit az elpárolgott fekete lyukak maradványai formálnak.

A fehér lyuk a fekete lyuk ellentettje, amelyben visszafordul az idő Forrás: Gaia

Kívülről megfigyelve, véges mennyiségű idő alatt a fekete lyukakat és fehér lyukakat nem lehet megkülönböztetni egymástól. A maximálisan kitágult Schwarzschild-megoldás ugyanannyi a fekete lyuknál és a fehér lyuknál is (A Schwarzschild-megoldás, vagy más néven Schwarzschild-metrika az általános relativitáselmélet egzakt megoldása, amely a pontforrás gravitációs terét írja le.)

Az ősi fekete fekete lyukak már fehér lyukká alakulhattak, az ősrobbanás óta Forrás: Interstellar

Egy fekete lyuk halála ugyanúgy kvantumjelenség, mint ahogy a fehér lyuk is annak számít:

a fehér lyuk lényegében a fekete lyuk időbeli megfordítása.

Azaz egy fehér lyuk csak olyan kozmikus régióban születhet, ahol igen erősek a kvantumgravitációs jelenségek.

Amikor berobban a múlt, anyag bukkan elő az eseményhorizont mögül

A fehér lyukak fizikai létezése ellen felhozott egyik leggyakoribb tradicionális ellenvetés, hogy honnan is eredhetnek? A fentiek szellemében adott válasz szerint olyan régióból származnak, ahol a kvantumjelenségek dominálnak a gravitációs mező viselkedésében.

Szimuláció egy féregjáratról Forrás: Davide and Paolo Salucci

Ilyen régiók főleg a fekete lyukak élete végén jönnek létre, és az elmélet hívei szerint ezért hozhat létre fehér lyukat egy haldokló fekete lyuk.

Einstein általános relativitáselmélete nem szabja meg az idő irányát,

ezért ha egy gravitációs kollapszus során fekete lyuk keletkezik, amelyben eltűnik az anyag, ennek lehetséges a fordítottja is, a fehér lyuk, mert amikor a fehér lyuk „berobban” a múltba, anyag bukkan elő az eseményhorizont mögül.

Az általános relativitáselmélet nem határozza meg az idő irányát Forrás: Origo

A fehér lyuk tehát a fekete lyuk időbeli megfordítása; a jelenség a világegyetem expanziójához hasonlítható.

Egy fekete lyuk - fehér lyuk életciklusának folyamata időben aszimmetrikus, az időskálát a fekete lyuk kezdőtömege és életideje - amit a Hawking-sugárzásból kiszámíthatunk - határozza meg.

Elmletileg kiszámítható, hogy egy fekete lyuk mikor válik fehér lyukká Forrás: IlfScience

Elvileg tehát kiszámítható, hogy a fekete lyuk mikor alakul át fehér lyukká,

olyan objektummá ami legalábbis elméletben visszafordítja az időt.

Viszont további kutatások szükségesek ahhoz, hogy fényt derítsenek arra, mindezek ellenére az idő miért csak előre halad a látható univerzumban.