Fekete lyukakra vadásznak magyar fizikusok

További Tudomány cikkek

Valószínűleg galaxisunk középpontjában nemcsak a már ismert hatalmas fekete lyuk van, hanem rengeteg kisebb is. Magyar kutatók munkája alapján várhatóan bizonyítható lesz a létezésük: a G2 nevű hatalmas gázfelhő repül galaxisunk közepe felé, amiből elragadnak majd részeket. A folyamatban röntgensugárzás képződik, ennek köszönhetően megfigyelhetjük a galaxismagban hemzsegő kisebb fekete lyukakat, de kulcsfontosságú lehet a gravitációs hullámok észleléséhez is.

Egy korábbi tanulmány felfedezte, hogy a Tejútrendszer közepe felé egy hatalmas gázfelhő halad, amit G2-nek neveztek el. A feltételezések szerint azon a területen nemcsak a már ismert, hatalmas központi fekete lyuk található, hanem sok-sok kisebb is, amiknek a tömege egyenként csak néhányszor nagyobb, mint a Napé.

A Columbia és a Harvard egyetemen egy magyar fizikusokból (Bartos Imre, Haiman Zoltán, Márka Szabolcs és az Einstein-ösztöndíjas Kocsis Bence) álló kutatócsapat kitalálta, hogy a G2 gázfelhőt akár feketelyuk-detektorként is lehet használni. Megmutatták, hogy a gázfelhő valószínűleg összetalálkozik több pici fekete lyukkal is. A tanulmány a legrangosabb fizikai szakfolyóiratban, a Physical Review Lettersben jelent meg.

„Úgy gondoljuk, hogy a galaxis közepén nemcsak egy nagy fekete lyuk van, hanem ott kell lennie egy nagyobb populációnak, kisebb, Nap-tömegű fekete lyukakból. Ezeket közvetlenül nem látjuk, mert feketék, ahogy a nevük is elárulja, nem tudunk róluk direkt semmit mondani, ez az egyik nehézség ebben a problémakörben” – magyarázza Bartos Imre, a New York-i Columbia University magyar asztrofizikusa.

Fekete lyukak koncentrálódnak

A fizikusok tudják, hogy sok fekete lyuknak kell lennie a galaxismagban, mivel nagyon sok nagyobb csillag található ebben a zsúfolt térségben, amik életük végén fekete lyukká roppannak össze. Ezek a fekete lyukak nehezebbek a tipikus csillagoknál, emiatt lassan bevándorolnak a galaxis közepe felé, és ott összegyűlnek a központi fekete lyuk körül.

„Elméletileg valószínűnek tartjuk, hogy ott legyenek, de eddig semmilyen direkt módszer nem volt arra, hogy ezeket lássuk, vagy kimutassuk. Azt reméljük, hogy ez a G2 felhő, ami a galaxis közepe felé repül, alkalmas lesz arra, hogy megfigyeljük ezeket a fekete lyukakat, amikor azok keresztülrepülnek a gázfelhőn” – mondja a kutató.

Gravitációs hullámokat keresnek

A magyar fizikuscsapat úgynevezett gravitációs hullámokon keresztül szeretné megfigyelni a fekete lyukakat. A gravitációs hullámok a tér görbületének hullámszerűen terjedő megváltozásai. Létezésüket az Einstein által 1915-ben lefektetett általános relativitáselmélet jósolta meg. Akárcsak egy tó felszíne egy belehajított tégla hatására, a térben magában is keletkezhetnek hullámok, amikor egy – kellően nagy tömegű – valami gyorsan változtatja a sebességét. A felfedezésnek, hogy a tér görbülhet, számos más következménye is van: a fekete lyukak létezése éppúgy, mint a sci-fi rajongók által kedvelt, de megfigyeléssel még nem igazolt féreglyukaké.

A működési elv viszonylag egyszerű: ha két tömegpont – mondjuk két csillag – kering egymás körül, akkor gravitációs hullámok keletkeznek. Ezek hullámok az anyagra nagyon kicsi hatással vannak, ezért nehéz észlelni őket. Ennek azonban van előnye is: szinte gyengítetlenül keresztülhaladnak mindenen, ezért a forrásról kapunk pontos képet, ami esetünkben jelentheti a világegyetem ősállapotát, vagy akár fekete lyukak közvetlen környezetét is.

„Amikor egy fekete lyukat meg akarunk figyelni, ez általában nehéz, mert a gravitációs terét kivéve semmi nem jön ki belőle. Ha két fekete lyuk nagy sebességgel kering egymás körül, a gravitációs tér körülöttük gyorsan változik, és ez a változás kisugárzódik a világűrbe gravitációs hullámok formájában” – mondja Bartos.

Összeolvadnak nagy hullámokkal

A gravitációs hullámok egyik érdekes forrása, amikor két fekete lyuk nagy sebességgel elhalad egymás mellett. Ha elég közel haladnak el egymástól, a gravitációs hullámokon keresztül elegendő energiát vesztenek ahhoz, hogy örökre egymás közelében maradjanak. A kialakulást követően, több percig egymás körül keringenek, ezáltal egyre intenzívebb gravitációs hullámokat sugároznak ki, amíg végül össze nem olvadnak egy nagyobb fekete lyukká.

A Tejútrendszer

Fotó: NASA

A galaxisok közepén a feltételezések szerint van egy több tízezer fekete lyukból álló populáció, ezért nagy az esély arra, hogy két fekete lyuk közel kerül egymáshoz, és a fizikusok megfigyelhetik a fenti jelenséget. A galaxis többi részén is rengeteg fekete lyuk van, viszont ezek sokkal szellősebben helyezkednek el, így lényegesen kisebb az esélye annak, hogy kettő összetalálkozik.

„Nekünk kiemelkedően fontos megérteni, hogy pontosan mennyi fekete lyuk van nagy sűrűségben a galaxisok közepén, illetve ezek hogyan oszlanak el, és milyen gyorsan mozognak. Hagyományos távcsövekkel távoli galaxisokban nagyon nehéz megfigyelni Nap-tömegű fekete lyukakat. A G2 felhő segítségével remélhetőleg hamarosan felmérhetjük a Tejútrendszer közepén található fekete lyukak populációját. Ha sikerül, következtethetünk arra is hogy milyen gyakran detektálhatunk gravitációs-hullám forrásokat a távoli galaxismagokból” – fogalmaz a kutató.

Népszerű gázfelhő

Maga a G2 felhő nagyon sok más kutatót is érdekel. Az egyik érdekes kérdéskör a fizikában, illetve csillagászatban, hogy hogyan táplálkoznak a fekete lyukak, illetve hogyan keletkeznek, hogyan nőnek meg akkorára, amekkorák. A mi Tejútrendszerünk közepén is egy óriási fekete lyuk van, nagyjából négymilliószor olyan nehéz, mint a Nap. Egyelőre nem teljesen értjük, hogy ezek hogyan alakulnak ki.

A legtöbb fekete lyuk a keletkezésekor csak néhányszor akkora tömegű, mint a mi Napunk. Ezek a fekete lyukak rengeteg gázt kell, hogy bekebelezzenek, hogy elérjék a megfigyelt méretüket. Ezek a nagyon nagy tömegű fekete lyukak (supermassive blackhole) milliószor nagyobbak.

A szupermasszív fekete lyukaknak a mérete és az eseményhorizontja – utóbbi fogalom azt a távolságot jelöli, ahonnan már nem tudunk visszafordulni semmilyen módon, ide belépve a fekete lyuk mindent elnyel –, különbözik. Itt csak nagyságrendbeli különbségekről beszélhetünk, egyébként a fekete lyukak ugyanolyanok piciben, mint nagyban. Nincs semmiféle egyéb tulajdonságuk, mint a tömegük, illetve hogy milyen gyorsan forognak: mindenféle egyéb információ, ami benne van a fekete lyukban, az örökre bent is marad.

Ha egy fekete lyukat egy gázfelhő vesz körül, az a gáz egy részét elkezdi beszippantani. A gáz a fekete lyuk felé haladva egyre nagyobb sebességre gyorsul és felmelegszik. „A melegedés miatt a fekete lyukba eső gáz elkezd sugározni” – mondja Bartos. „Annyira felmelegszik, hogy ez a röntgensugárzás sokkal nagyobb energiájú, mint amit a Földön látunk, vagy amit a Nap kibocsát. Ezt a sugárzást akarjuk megfigyelni a megfelelő obszervatóriumokkal. Itt főleg űrszondákra kell gondolni, a Földről nehezebb megfigyelni a röntgensugárzást”.

Egy anyag halálsikolya

Ezek a röntgensugárzással kapcsolatos megfigyelések közvetett bizonyítékkal szolgálhatnak a gravitációs hullámok, illetve a fekete lyukak létezésére. „A gravitációs hullámok észlelése közvetlen detektálása lenne a fekete lyukaknak. Mi a különbség közvetlen és közvetett megfigyelés között? Több tucat fekete lyukról tudunk az univerzumban, többek között a szupermasszív fekete lyukról a galaxisunk középpontjában. Ezeket közvetlenül nem látjuk semmilyen módon, mert ezekből nem jön ki semmi, csak a gravitáció hatása”.

Amit most tudunk ezekről az objektumokról, mind közvetett méréseknek köszönhető. Például a központi szupermasszív fekete lyuk esetén azt látjuk, hogy a közeli csillagok hogyan mozognak ekörül a nagy fekete lyuk körül, és ki tudjuk számolni, hogy ehhez a mozgáshoz mekkora tömeg tartozik.

Bartos szerint a G2 gázfelhőnél is sugározni fog a fekete lyukba hulló anyag: ez is egy közvetett mérés, „nem a fekete lyukat látjuk, hanem az anyag halálsikolyát, amint a fekete lyukba esik. A fekete lyuknak egy közvetett hatását mérjük. Ugyanakkor, amikor majd gravitációs hullámokat érzékelünk, akkor ez magából a fekete lyukak gravitációs teréből jön. Ebben az esetben nincs szükségünk más anyagra vagy közvetítőre. Ilyen gravitációs hullámok detektálása lesz az első közvetlen bizonyíték a fekete lyukak létezésére.”

Márciusban lesz a legközelebb

A G2 felhő óriási: körülbelül akkora, mint a Naprendszer maga, viszont nagyjából 25 ezer fényévnyire van tőlünk, így csak nagyon halványan látjuk. A mérések folyamatosan fejlődnek, ahogy egyre több ember és berendezés figyeli ezt a gázfelhőt. A legutóbbi eredmény szerint a felhő a központi fekete lyukhoz 2014 márciusában lesz legközelebb.

„A mi szempontunkból ez azért érdekes, mert a G2 gázfelhő nemcsak a legközelebbi pontban találkozhat fekete lyukakkal, hanem gyakorlatilag a G2 pályájának bármelyik pontján, növekvő valószínűséggel, ahogy halad a galaxis közepe felé. A legtöbb ütközés a következő egy évben várható” – mondja a kutató.

Akták