Megvalósítható lesz a csillagközi utazás?

A csillagközi utazás lehetősége egyelőre még továbbra is a sci-fi világába tartozik

A sci-fi művekben - így például a rendkívül népszerű Star Trek sorozatban is -, az asztronauták gyakran a féreglyukak segítségével hidalják át az univerzum végtelen távolságait. Akármennyire is szellemes azonban a téridő két távoli pontját lerövidítő utazáshoz igénybe venni a gravitációs szingularitásból származó kozmikus átjárókat, a féreglyukak aligha lesznek a jövő asztronautái számára reális opciók a csillagközi űrutazáshoz.

Valóra vált Albert Einstein fantasztikumnak tűnő jóslata

A fekete lyukak valóban kinyithatnak féregjáratokat? És vajon ezek a féreglyukak hasonlíthatnak-e a Star Trek-beli társaikhoz? E kérdésekre adott rövid válasz az, hogy valószínűleg nem, bár az univerzum matematikája elméletileg nem zárja ki teljesen ezt a lehetőséget. A fekete lyuk középpontja egy olyan végtelen sűrűségű és tömegű pont, amelyben nem érvényesülnek a fizikai törvényszerűségek; ez az úgynevezett szingularitás.

Egy fekete lyuk anatómiája. A fantáziarajz egy tömegbefogási korong által övezett gyorsan forgó szupernagy tömegű fekete lyukat ábrázol. Forrás: ESO

Egy fekete lyuk elméletben összepárosítható tükörképével, a fehér lyukkal, amelyek így együtt hozhatják létre a féreglyukat. Ezek az elméleti féregjáratok azonban egyáltalán nem hasonlítanak a sci-fi művekben ábrázoltakhoz,

ugyanis az előrejelzések szerint hihetetlenül instabilak,

vagyis abban a pillanatban összeomlanak, amikor akár egyetlen anyagrészecske is beléjük kerül. A tudomány nem az univerzumban végzett megfigyelések révén vetette fel először a fekete lyukak problematikáját, hanem Albert Einstein általános relativitáselméletének matematikájával jósolták meg a létüket.

Albert Einstein alkotta meg az általános relativitáselméletet, illetve a téridő fogalmát Forrás:Popper Foto/Getty Images

Einstein egyenletei megmutatták, hogy ha elég nagy tömegű anyag húzódik össze rendkívül kis térfogatra, akkor a gravitáció minden más erőt felülmúl,

és az anyagot egy végtelenül apró ponttá, szingularitássá zsugorítja.

Az einsteini modellben a fekete lyukak azonban csak egyirányú utak. Ha valaki ugyanis - teoretikusan - átlépi az eseményhorizontnak nevezett határt, soha többé nem térhet vissza.

Einstein és Rosen úgy vélték, hogy a fekete lyukak egyirányú féregjáratok lehetnek Forrás: ESA

Míg a fekete lyukakat korábban csak az Einstein-egyenletek hipotetiku absztrakcióinak vélték, a 20. század második felében a csillagászati megfigyelések végül felfedték, hogy a fekete lyukak valóban az univerzum létező objektumai.

Olyan sebes az összeomlás, hogy még a fény sem képes átjutni a járaton

Ugyanez az einsteini matematika engedi meg a fekete lyuk fordítottját, a fehér lyukat is. E modell szerint a fehér lyuk középpontja ugyancsak szingularitás, amelyet szintén eseményhorizont vesz körül. Ám – ellentétben a fekete lyukkal -, a fehér lyuk eseményhorizontját kívülről soha sem érhetnénk el, mert folyamatosan rendkívül nagy energiával, fénysebességgel löki ki tartalmát a térbe.

A fehér lyuk a fekete lyuk sajátos ellentét párja Forrás: ESA

A fekete lyuk és a fehér lyuk-páros szingularitásainak összekapcsolása alkotja a legegyszerűbb féreglyuk típust, amelyet Einstein-Rosen hídnak neveznek. Sajnos azonban az Einstein-Rosen hidak nem alkalmasak a téridő áthidalásához.

Ennek az az egyik oka, hogy a féreglyuk bejárata az eseményhorizont mögött található.

Mivel egy tárgy a fentebb leírtak miatt nem tud bejutni a fehér lyuk felőli oldalon, bele kellene esnie a fekete lyukba ahhoz, hogy beléphessen az átjáróba.

Albert Einstein és Nathan Rosen Forrás: Wkimedia Commons /Princeton University

Viszont, ha valami vagy valaki átlépi az eseményhorizontot, onnan már soha többé nem juthat ki, vagyis ha belép a féreglyukba, az örökkévalóságig ottragad.

A másik komoly probléma az Einstein-Rosen hidak rendkívüli instabilitása.

Noha ez a híd ugyan egyfajta féregjáratnak tekinthető a téridő két pontja között, azonban csak átmeneti a létezése, mert még mielőtt bármi átjuthatna rajta az egyik oldalról a másikra, összeomlik. Ebben az értelemben tehát nem is tekinthető valódi féreglyuknak, mivel nem lehet áthaladni rajta.

Egy féreglyuk számítógépes illusztrációja. A féreglyuk átjárót jelenthet a téridő két pontja között Forrás: Science Photo Library via AFP/ANDRZEJ WOJCICKI/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mopic

Azért áll fenn ez a rendkívül nagyfokú instabilitás, mert egy féreglyuk keletkezéséhez az anyag nagyon pontos és gondos elrendeződésére van szükség. Bármi, ami megzavarja ezt a kényes egyensúlyt – akár egyetlen foton is –, az a féreglyuk azonnali összeomlását idézné elő. A féreglyuk olyan mint egy túlfeszített gumiszalag,

ami még a fény sebességénél is gyorsabban omlana össze,

megakadályozva, hogy bármi átfusson rajta. (A számítások szerint olyan gyors az összeomlás sebessége, hogy még a fény sem lenne képes eljutni az egyik ponttól a másikig.)

John Archibald Wheeler, a híres elméleti fizikus mutatta ki, hogy a féreglyukak rendkívül instabil képződmények lehetnek Forrás: Twitter/Sandia National Labs

Ráadásul az elméleti fizikusok többsége úgy gondolja, hogy a mi univerzumunkban nem léteznek fehér lyukak. Testvéreikkel, a fekete lyukakkal szemben a fehér lyukak fantasztikusan instabilak. A matematikai modell szerint, ha akár csak egyetlen részecske is feléjük esik, azonnal megsemmisülnek. Tehát, ha természetes módon keletkeznének is fehér lyukak, nem létezhetnének sokáig.

A fekete lyuk irtózatos gravitációs meghajlítja, begörbíti a téridőt Forrás: Wikipedia Commons

A fehér lyukak létezésének bizonytalansága és az Einstein-Rosen hidak instabilitása azt jelenti, ha vannak is az univerzumban féregjáratok, akkor azok valószínűleg nem Einstein-Rosen hidak.

Szélsőséges erők, amelyek megakadályozhatják a szingularitás kialakulását

Lehetséges azonban, hogy egy bonyolultabb típusú fekete lyukból kialakulhat stabilabb féreglyuk, ennél a lehetőségnél azonban figyelembe kell venni a fekete lyuk forgását. Azt már régebb óta tudjuk, hogy minden fekete lyuk forog, de Roy Kerr új-zélandi matematikus volt az első, aki meg is oldotta a fekete lyukak forgásának matematikáját. Kerr szerint a forgó fekete lyuk közepén a szélsőséges centrifugális erők a pontszerű szingularitást gyűrűvé terjesztik ki, ezért lehetséges, hogy ez a "gyűrűs szingularitás" váljon egy féreglyuk bejáratává, ám itt ismét felbukkan a stabilitás problémája.

A csillagközi űrutazás ma még megoldhatatlan problémának tűnik Forrás: Flickr/ Bago Games

A Kerr-lyukat egy "belső horizont" veszi körül, amelyet viszont a "külső horizont" övez. "Sokan úgy vélik, hogy a belső horizont nem egy stabil entitás, és már kis mennyiségű belehulló anyag is teljesen megváltoztatja a horizonton belüli régiót, ami így módosítja a szingularitást is" – mondtja Samir Mathur az Ohio Állami Egyetem elméleti fizikusa. "Ennek az instabilitásnak a végeredménye azonban nem világos" - jegyzi meg Mathur.

Egy fekete lyuk művészi ábrája Forrás: Wikimedia Commons/XMM-Newton, ESA, NASA

A probléma az, hogy ha az anyag a gyűrűs szingularitása felé esik,

akkor két egymással versengő hatással találkozik:

magának a szingularitásnak az óriási gravitációs vonzásával és a fekete lyuk közepén lévő spin szélsőséges centrifugális erejével, amely pont az ellenkező irányba hatna – véli Samir Mathur.

A csillagközi utazás lehetősége egyelőre még továbbra is a sci-fi világába tartozik Forrás: Outer Olaces

A helyzet így annyira instabil, hogy akár teljesen meg is akadályozhatja a szingularitás kialakulását.

Sok fizikus úgy véli, hogy a forgó fekete lyukból származó "gyűrűs szingularitás" fogalmát kellene egy másik modellel felváltani ahhoz, hogy jobban megértsük ezeknek a különleges objektumoknak a valódi tulajdonságait. Mindenesetre ezek olyan komoly problémák, amelyek más egyéb, jelenleg még szintén megoldhatatlannak látszó problémákkal együtt teljesen valószínűtlenné teszik, hogy a jövő asztronautái a féreglyukak segítségével győzzék le a csillagközi utazás felfoghatatlan távolságait.