A végtelen Univerzum 2.

A fekete lyukak megfigyelése

1. A szingularitás maga körül olyan mértékű téridőgörbületet hoz létre, hogy mindent magába szippant, akár egy porszívó. A fekete lyuk felé közeledő anyag először keringeni kezd a lyuk körül, így azt általában egy anyagkorong veszi körül. Mivel a csillagok, melyekből a fekete lyukak kialakulnak, maguk is forognak, a belőlük keletkező fekete lyuknak is forognia kell. Eseményhorizontján kívül helyezkedik el az ún. egoszféra, amelynek belsejében - mintha maga a tér pörögne- semmi sem kerülheti el, hogy a fekete lyukkal megegyező irányba ne forogjon. Miközben az anyag a fekete lyuk szájába hullik, óriási mennyiségű gázsugárzást és energiát bocsát ki az anyagkorong forgástengelye mentén - itt az egoszféra elvékonyodik, ezért itt könnyebben kiszabadulhatnak a részecskék a gravitációs vonzásból. Ezek a gázsugarak akár a fénysebesség ötödével is haladhatnak, miközben a mágneses tér hatására nagyon erős szinkrotonsugárzást bocsátanak ki magukból, főleg röntgensugárzás formájában. Amikor a gázsugárzás lelassul még elég energiával rendelkezik ahhoz, hogy rádiósugárzást bocsásson ki. Ezeket a sugárzásokat pedig a Földről észlelni tudjuk.

2. A fekete lyukak jelenlétének meglehetősen biztos jele, ha egy forgó gázfelhő (anyagbefogadási korong) közepéből a forgás síkjára merőlegesen egy anyagsugár lövell ki erős rádió- és röntgensugárzás kibocsátása mellett. A fekete lyukak elméletileg a beléjük hulló anyagnak több mint a felét energiává alakítják, tehát az energia nagy részét inkább ők és nem a normál csillagok termelik. Ezek az ún. aktív galaxisok akkora energiát bocsátanak ki - akár egymilliárdszor is fényesebbek lehetnek mint a Nap - hogy azt a csillagok fénye nem fedezné. Másrészt a színképük nem is hasonlít a csillagok színképére. Jellemző rájuk, hogy sokkal több infravörös, ultraibolya, rádió- és röntgensugárzás indul ki belőlük, mint egy átlagos galaxisból.

Valószínű, hogy az aktív galaxisok jelentős részében megtalálhatóak óriási, több milliárd Nap-tömegnyi fekete lyukak. Legelőször a rádiógalaxisokat fedezték fel a csillagászok. A égbolt egyik legerősebb rádióforrása a Cygnus A. 500-szor messzebb van, mint az Androméda galaxis, de mégis 10 milliószor erősebb rádiósugárzást bocsát ki. Egy másik tipikus példája a fekete lyuk középpontú aktív galaxisnak a VIRGO A vagyis az M87 galaxis. Egymilliárd Napnak megfelelő röntgensugarat bocsát ki magából, a magjából kilövellő anyagsugár hossza megközelíti a 6000 fényévet. Központi magja csak 45 fénynap átmérőjű, de ebben a térrészben óriási tömeg, körülbelül 5 milliárd Nap-tömeg koncentrálódik. Ez a középpontban egy hatalmas fekete lyukat feltételez.

A leghíresebb és legtitokzatosabb aktív-galaxisok minden bizonnyal a kvazárok, amelyek a galaxisokban található legfényesebb aktív magok. A kvazárok tőlünk nagyon gyorsan távolodnak, a Világegyetem legtávolabbi objektumai. (A vöröseltolódásból kiszámítható a távolságuk) Léteznek kvazárok, melyek 10-13,5 milliárd fényévre vannak tőlünk, mégis az égbolt legtöbb energiát kibocsátó égitestei közé tartoznak. A kvazár közepében egy rendkívül nagy teljesítményű energiaforrás található, ezt az óriási mennyiségű energiát pillanatnyilag semmi mással nem tudjuk magyarázni csak fekete lyukkal. Ma már kvazárok ezreit ismerjük, a 3C 275.1 7 milliárd fényévre van tőlünk. A legtávolabbi ismert kvazár a PC 1247+34 körülbelül 13.5 milliárd fényév távolságban van, és vöröseltolódása 4.9.

3. Számos kettőscsillag-rendszerben, ahol a csillagok mozgásából is meghatározható a tömegük, olyan sűrű csillagra bukkantak, amelynek tömege még egy neutroncsillagnak is túlságosan nagy lett volna. Ezekben a rendszerekben is találhatunk fekete lyukakat. Amikor egy fekete lyuk egy kettőscsillag egyik tagja, akkor kísérőjének légkörét fogja lassan magába szívni, ezáltal könnyen észlelhető, folytonos, nagyon erős röntgensugárzást bocsát ki. Itt is a fekete lyukak egoszférája, mint energiaforrás működik. Már jó néhány ilyen röntgensugárforrást találtak, ilyen például a Cygnus X-1, ami egy kb. 20-30 Nap-tömegű kék szuperóriás, egy kb. 9-11 Nap-tömegű láthatatlan társsal. Úgy látszik, hogy a röntgensugarak a láthatatlan társ körül kavargó, de a látható csillagból származó anyag alkotta tömegbefogadási korongból származnak. A társ túl nagy tömegű ahhoz, hogy neutroncsillag legyen, ezért majdnem biztos, hogy az egy fekete lyuk. Ez a fekete lyukak felfedezésének egy eléggé megbízható módja.

4. Amikor két fekete lyuk központú galaxis találkozik egymással, feltételezhető, hogy az ütköző csillagrendszerek egybeolvadnak. Egyes galaxisokban az emissziós színkép és a magnitúdó periodikus változását figyelték meg. Lehetséges, hogy az ezekben a galaxisokban két egymás körül keringő fekete lyuk található, melyek mozgásukkal befolyásolják a galaxis látszólagos fényességét és színképét. Ilyen galaxist találtak például a Sárkány és a Rák csillagképben. Egy ismert kvazárban megfigyelték, hogy a galaxis 12 évenként periodikusan változtatja a fényességét. A csillagászok szerint a kvazárban egy óriási 17 milliárd Nap-tömegnyi fekeete lyuk körül egy 200-szor kisebb fekete lyuk kering. Amikor a kisebbik fekete lyuk elhalad a nagyobbik fekete lyuk és közöttünk akkor a galaxis látszólagos fényessége megnő. Tehát egy újabb módszerét kaptunk a fekete lyukak megfigyelésének.

5. Amikor a fény elhalad egy nagyon nagy tömegű objektum mellett akkor a speciális relativitáselmélet szerint az objektum gravitációja által létrehozott téridőgörbület miatt útja eltér a megszokottól, és egy külső megfigyelő számára úgy tűnik mintha pályája elgörbülne. Ezt a jelenséget gravitációs-lencse hatásnak nevezzük, mely a fotont kibocsátó sugárforrás látszólagos képét megsokszorozza, így ugyanarról az objektumról egymás mellett több képet kapunk. A különböző képek színképe és magnitúdója teljesen megegyezik, innen tudjuk ,hogy ugyanannak a forrásnak a képeit látjuk. A gravitációs lencse lehet bármilyen nagy tömegű objektum, például galaxisok, óriási molekuláris ködök, de ezeknél a képsokszorozódás nem túl jelentős. Ha azonban a jelenséget egy hatalmas fekete lyuk váltja ki, akkor az már könnyen észlelhető. A nagyon erős gravitációs lencsék tehát valószínűleg fekete lyukak.

A fekete lyukak megfigyelésében nagyon nagy segítséget nyújt a Hubble űrteleszkóp, és a nagy bázisvonalú rádiótávcső-rendszer, a VLA (Very Large Array).

A tudósok manapság egyre jobban úgy vélik, hogy a fekete lyukak mégis bocsátanak ki valamilyen mértékben energiát. A kvantumelmélet szerint a foton ideiglenesen kettéhasadhat egy elektronná (részecske) és egy pozitronná (antirészecske), majd ezek újraegyesülésükkel visszaalakulnak fotonná. Így a Világegyetemnek nincs sem nyeresége, sem vesztesége. Azonban, ha a kettéhasadáskor egy fekete lyuk van a közelben, a két részecske közül az egyik beszívódhat. Ennek az az eredménye, hogy a fekete lyuk körül tömeggel rendelkező részecskék keletkeznének. Az ezeket a részecskéket létrehozó energia a fekete lyukból származik. Ezzel a szingularitás fokozatosan energiát és így tömeget is veszít, ami a fekete lyuk, vagyis az eseményhorizont összehúzódásához vezet. Azonban egy Nap-tömegű szingularitáshoz tartozó kis fekete lyuknak ahhoz, hogy semmivé zsugorodjon össze, a Világegyetem mai életkorának 10⁵⁶-szorosát kitevő időre lenne szükség. Tehát, mivel ez a sugárzás gyakorlatilag teljesen elhanyagolható mértékű, nem szolgálhat alapul a fekete lyukak megismerésében.

Stephen Hawking szerint közvetlenül az ősrobbanás után, a Világegyetem kialakulásának kezdetén is kialakulhattak kicsi, pár millió tonna tömegű fekete lyukak. Minél kisebb egy fekete lyuk a fenti elmélet szerint, annál gyorsabban sugározza ki energiáját. Tehát ezek az apró szingularitások viszonylag hamar eltűnhetnek. Azonban még ezeknek a sugárzását sem tudjuk egyenlőre érzékelni, mivel gyengébbek a kozmikus háttérsugárzásnál; kivéve létezésük utolsó pillanatában, amikor maradék tömegüket robbanásszerűen veszítik el. Bár ezeknek a robbanásoknak igen gyakoriknak kellene lenniük, ilyet még senki nem látott.

1997. januárjában számolt be egy nemzetközi csoport az eredményeiről. Legfontosabb megállapításaik: a szupernagy tömegű lyukak roppant gyakoriak (a legújabban felfedezettek: NGC 3379 galaxisban 50, az NGC 3377-ben 100, az NGC 4486B-ben 500 millió naptömegű); a fekete lyuk tömege egyenesen arányos az őt befogadó galaxis tömegével, tehát a fekete lyuk növekedése összefügg a galaxis fejlődésével. A fekete lyukak tanulmányozása manapság igen gyorsan fejlődik, mert a Világegyetem jövőjével, vagy a téridőutazással - féregjáratokon keresztül, melyeket fekete lyukakkal hoznak létre - kapcsolatos izgalmas kérdésekre adhat választ.