Váratlan felfedezés: egyetlen másodperc alatt pusztíthatja el a világot két fekete lyuk

Összeolvadó fekete lyukak művészi ábrája

Az amerikai űrkutatási hivatal, a NASA 2021. november 26-i közleménye szerint első alkalommal sikerült két fekete lyuk összeolvadására utaló jeleket detektálni. A jelenség olyan irtózatos erejű gravitációs kölcsönhatással jár, ami a téridő intenzív „fodrozódása", azaz erős gravitációs hullámok keltésén kívül kozmikus vákuumkatasztrófát okozó valódi vákuumbuborékokat is létrehozhat. Sean Caroll, a Kaliforniai Technológiai Intézet ( California Institute of Technology, Caltech, Pasadena ) elméleti fizikusa úgy véli, hogy ha egy valódi vákuumbuborék jelenne meg a kozmikus környezetünkben, annak beláthatatlanok lennének a következményei, és egy szempillantás alatt megszűnne az az általunk ismert 14 milliárd éves, az ősrobbanás óta létező univerzum, amelyben mi is létezünk.

Kozmikus katasztrófát okozhat az extrém tömegű fekete lyukak összeolvadása

A NASA most közzétett közleménye szerint 2019. május 21-én két gravitációs hullámdetektor, a LIGO (National Science Foundation Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) valamint a VIRGO (European Virgo) először fogott olyan gravitációs hullámjeleket , amelyek – jellegükből adódóan – két fekete lyuk összeolvadása során keletkezhettek.

A LIGO kutatója az egyik mikrohullámfrekvencia-mérő tükrét vizsgálja Forrás: MATT HEINTZE/CALTECH/MIT/LIGO LAB

A pontosan azonosított és GW190521g számon katalogizált esemény lehetővé tette, hogy a Caltech San Diego közelében fekvő Palomar Obszervatóriumában működő Zwicky Transient Facility (ZTF) asztrofizikusai alaposan megvizsgálják a gravitációs hullámkibocsátás körzetét, fényjelek után kutatva, amiket sikerült is azonosítaniuk. Ez az első olyan eset, amikor fekete lyukak egymásba olvadásakor fényhatást sikerült kimutatni.

Összeolvadó fekete lyukak művészi ábrája Forrás: NASA/Caltech/R. Hurt (IPAC)

Az univerzum legkülönlegesebb objektumai, az anyag „elfajulásának" tekinthető fekete lyukak arról kapták az elnevezésüket, hogy ezek az irtózatos erejű gravitációs csapdák a fényt is foglyul ejtik, ezért láthatatlanok.

Nyilván ez az egymás körül keringő és egymást beszippantó fekete lyukakra is igaz,

ezért önként adódó kérdés, hogy honnan eredhet a fekete lyukak összeolvadásából származó fényhatás. Az asztrofizikusok szerint a jelenséggel együtt járó rendkívüli energia hatására az eseményhorizont közelében lévő anyag sugározni kezd, és fényt bocsát ki.

Az eddig észlelt legnagyobb tömegű fekete lyukak, a GW190521 összeolvadásából származó gravitációs hullámok szemléltető ábrája Forrás: Deborah Ferguson, Karan Jani

Ez viszont már optikailag is észlelhető. A GW190521g eseménynél először sikerült egyszerre megfigyelni az ütköző fekete lyukak keltette gravitációs hullámokat és fényhatást. Ha viszont extrém nagy tömegű fekete lyukak olvadnak egymásba, egyes elméletek szerint már sokkal rosszabb, akár katasztrofális kozmikus következményekkel kell számolni.

Csak látszólag stabil az univerzum, amely teoretikusan bármikor összeomolhat

A 2012 júniusában felfedezett Higgs-bozon – amelynek létezését a részecskefizika standard modellje alapján Peter Higgs Nobel-díjas brit elméleti fizikus jósolta meg - felelős a többi részecske tömegéért. A Higgs-bozon teszi stabillá az univerzumot.

Peter Higgs, brit Nobel-díjas elméleti fizikus, aki megjósolta az "isteni részecske" létezését Forrás: AFP/Fabrice Coffrini

Ha ez a tömeget adó részecske sokkal könnyebbé válna, a kozmosz gyorsan magába omlana, és az ősrobbanással 14 milliárd éve létrejött univerzum egy szempillantás alatt eltűnne. Ennek az az oka, hogy a téridő „szövete" bizonytalan stabilitási állapotú – ezt nevezik az elméleti fizikusok hamis vákuumnak – ami teoretikusan bármikor összeomolhat, bennünket is magával ragadva. „ Ha az univerzumban egy valódi kiterjedő vákuumbuborék jelenne meg a közelünkben, egy szempillantás alatt végünk lenne" – véli Sean Caroll, a Caltech elméleti fizikusa.

A Higgs-tér ügyesen egyensúlyozza az Univerzumot, de lehetne stabliabb Forrás: CERN, Dominguez, Daniel

A vákuum stabilitásának kulcsa a Higgs-bozon és a hozzá kapcsolódó mező, amely az egész téridőt áthatja és megadja az elemi részecskék tömegét. Amikor 2012 júliusában a genfi Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) fizikusai hosszas keresés után végre ráakadtak az „isteni részecskére", a Higgs-bozon tömegét valahol 125 és 127 gigaelektronvolt között határozták meg. A probléma lényege, hogy az univerzum vákuum-energiájának elméleti és mért értékei között hatalmas differencia tátong, ugyanis a mért, tehát valós érték csaknem 122 nagyságrenddel kisebb mint a kvantumtér-elmélet szerinti stabilitást jelentő teoretikus érték.

Részlet a Nagy Hadronütköztetőből Forrás: Wikimedia Commons

Leegyszerűsítve, a mérések még így is a vákuum túlontúl magas energiasűrűségét mutatják. (A vákuum a köznapi felfogásban az üres teret jelenti, de valójában a vákuum is rendelkezik energiával, az einsteini univerzumban pedig nem létezik az abszolút üres tér.) A kvantumtérelméletben a hipotetikus „hamis vákuum" stabil ugyan, de mégsem kellően az. Noha ez az egyensúlyi állapot nagyon sokáig fennmaradhat, ám egyáltalán nem az összeomlás veszélye nélkül.

Úgy tűnne el az emberi civilizáció, hogy nem is tudná, mi történt vele

Ha a vákuum bármikor és bárminek a hatására energia-sűrűséget váltana, vagyis bekövetkezne a vákuum-bomlás, a változás buborékszerűen terjedne tova a világegyetemben, teljesen megváltoztatva az univerzumot. Az úgynevezett hamis vákuum csak egy lokális energiaminimumnál létezik, ezért nem tekinthető stabilnak, ellentétben a valódi vákuummal, amely globális minimumon létezik és stabil.

Művészi ábra arról, amint egy csillagot beszippant a fekete lyuk Forrás: ESO/M. Kornmesser

Egy 2015-ben publikált tanulmány rámutatott,

hogy a vákuum bomlási sebessége jelentősen megnövekedhet a fekete lyukak közelében.

Ezt az elgondolást továbbfejlesztve Rostislav Konoplich és szerzőtársai egy idén megjelent publikációban azt vetették fel, hogy az összeolvadás előtt álló két nagytömegű fekete lyuk közötti tér megteremtheti a feltételeket az "igazi" vákuum-buborékok létrehozásához.

Egy fekete lyuk illusztrációja Forrás: Afp

A buborékok közötti metsző felületek végtelenül sűrűvé válhatnak, és mikro-fekete lyukakat hozhatnak létre, amik még azt megelőzően elpárolognának a Hawking-sugárzás kibocsátásával együtt,hozzávetőleg 10 ezredmásodperc alatt, mielőtt még a nagyobb fekete lyukak összeütköznének, és felfalnák az útjukban lévő vákuum-buborékokat vagy mikro-fekete lyukakat.

Mi is az a Hawking-sugárzás?

A Hawking-sugárzás olyan megjósolt, de kísérlet vagy megfigyelés által még nem igazolt feketetest-sugárzás, amely a fekete lyukak eseményhorizontjának környezetében jön létre kvantummechanikai jelenségek miatt. A sugárzást Stephen Hawking angol elméleti fizikusról nevezték el, aki 1974-ben közölt tanulmányban vetette fel a jelenség elméleti lehetőségét. A Hawking-sugárzás miatt csökken a fekete lyuk energiája és tömege, ezt a jelenséget fekete lyuk párolgásának hívják

(Az elmélet egyszerűen tesztelhető a fekete lyukak egyesülése előtt kibocsátott Hawking-sugárzás keresésével.) A szuper nagy tömegű fekete lyukak összeolvadása tehát elvezethet a valódi vákuumbuborékok kialakulásához, annak összes lehetséges következményével együtt. Egyes teoretikusok szerint ugyanis az univerzumot jellemző hamis vákuumállapotból a stabil valódi vákuumállapotba átmenetnek katasztrofális, romboló hatása lehet. Ezek a következmények az alapvető kölcsönhatások, az elemi részecskék és az általuk felépített struktúrák teljes megsemmisülésétől a „finomabb" változásokig terjedhetnek, utóbbi alatt egyes kozmikus struktúrák túlélését értve.

Két bespirálozó fekete lyuk művészi megjelenítése. A nagytömegű fekete lyukak ütközése valódi vákuum-buborékokat indukálhat Forrás: ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav)/Mark Myers

Max Tegmark a Massachusettsi Műszaki Egyetem (Massachusetts Institute of Technology, MIT) elméleti fizikusa, valamint Nick Bostrom az Oxfordi Egyetem professzora 2005-ben modellezték,

hogy mi történne a Földdel illetve az emberi civilizációval

az alacsonyabb energiájú vákuumállapotba való átmenet esetében. A két tudós arra jutott, hogy ha ez bekövetkezne ( például egy viszonylag közeli extrém tömegű fekete lyuk páros összeolvadásának hatására) az eseményhez kapcsolódó összes információ csak a megsemmisülés pillanatában érkezne el hozzánk.

Felhasznált források:

NASA, Editor: Yvette Smith, Black Hole Collision May Have Exploded With Light, Nov 26, 2021

Burda, Philipp; Gregory, Ruth; Moss, Ian G.(2015) "Vacuum metastability with black holes". Journal of High Energy Physics

Chitishvili, Mariam; Gogberashvili, Merab; Konoplich, Rostislav; Sakharov, Alexander S. (2021-11-17) Higgs Induced Triboluminescence in Binary Black Hole Mergers,

Anil Ananthaswamy, The Higgs boson makes the universe stable – just. Coincidence? New Scientist, 26 October 2016