Olyan fekete lyukat szimuláltak, hogy Einstein is csak nézne

A University of Cambridge és a Queen Mary University of London kutatói Pau Figueras vezetésével sikeresen szimuláltak egy nagyon vékony, gyűrű alakú fekete lyukat, amelyben egy sor dudort idővel egyre vékonyodó szálak kötnek össze, írja részletes cikkében a Csillagászat.hu. A szálak végül annyira elvékonyodnak, hogy miniatűr fekete lyukakká esnek szét, hasonlóan ahhoz, ahogyan a vékony vízsugár vízcseppekké szakad. A gyűrű alakú fekete lyukak lehetőségét 2002-ben fedezték fel elméleti fizikusok, de ez az első alkalom, hogy szuperszámítógépek segítségével a dinamikájukat is sikerült szimulálni. Az ilyen típusú fekete lyukak kialakulása az ún. csupasz szingularitások megjelenéséhez vezet, amelyek azonban sértik az általános relativitáselmélet egyenleteit.

A gravitációra vonatkozó jelenlegi ismereteink ez utóbbi egyenleteken nyugszanak: a csillagok korának megbecslésétől kezdve a tájékozódásunkat segítő GPS készülékek működéséig sok minden az Einstein-féle egyenleteken alapul. Az elmélet többek között azt állítja, hogy az anyag meggörbíti maga körül a téridőt, és amit mi gravitációs vonzásnak érzékelünk, az tulajdonképpen ennek a görbületnek a hatása. A születése óta eltelt 100 év során az általános relativitáselmélet minden tesztnek megfelelt – két héttel ezelőtt az Einstein által megjósolt gravitációs hullámok sikeres detektálását is bejelentették. Az elmélet alkalmazhatóságának határait többek között a fekete lyukak belsejében lévő szingularitások jelölik ki.

A szingularitásban a téridő görbülete végtelen naggyá válik, így a fizika fekete lyukon kívül jól működő törvényei itt érvényüket vesztik. Az általános relativitáselmélet szerint a szingularitások a fekete lyukak belsejében léteznek, de azokat jótékonyan elrejti előlünk az eseményhorizont, amely mögül még a fény sem tud kijutni, így kívülről a mögötte lévő tartomány nem is észlelhető. Valójában nem tudjuk, hogy milyen egy fekete lyuk belseje. A kutatás egyik résztvevője, Markus Kunesch magyarázata szerint amíg a szingularitás rejtve marad az eseményhorizont mögött, nem okoz gondot, és az általános relativitáselmélet törvényei működnek. A sejtés az, hogy ez a kozmikus cenzúra mindig működik (cosmic censorship conjecture), így biztonsággal jelezhetjük előre, hogy mi fog történni egy fekete lyukon kívül, végső soron a jelenlegi állapotából kiindulva megjósolhatjuk az univerzum jövőjét.

Mi van azonban akkor, ha a sejtés nem igaz, és létezhet szingularitás az eseményhorizonton kívül is (ún. csupasz szingularitás). Ha így lenne, akkor az nem csak látható lenne, de olyan állapotot (végtelen nagy sűrűség) reprezentálna, ahol a fizika törvényei csődöt mondanak. Az elméleti fizikusok sejtése szerint ilyen csupasz szingularitások magasabb dimenziókban létezhetnek. Jelen kutatás másik résztvevője, Saran Tunyasuvunakool szerint azonban ekkor minden a feje tetejére állna, hiszen az elmélet elvesztené az előrejelző képességét, többé nem tekinthetnénk az univerzumot önállóan is magyarázni képes teóriának.

Az általános relativitáselmélet univerzuma négy dimenziós, három tér- és egy idődimenzióval, ezek együtt alkotják az ún. téridőt. Vannak azonban ennél bonyolultabb univerzumot leíró elgondolások is, például a húrelmélet, amely szerint akár 11 dimenzió is létezhet. A további dimenziók lehetnek nagyok és kiterjedtek, vagy kicsik és felcsavarodottak, detektálni azonban mindenképpen rendkívül nehéz azokat. Mivel mi csak három térdimenzió érzékelésére vagyunk képesek, erre egyedüli lehetőséget egyelőre a nagyon nagy energiájú kísérletek biztosíthatnak csak, amilyenek például a Nagy Hadronütköztetőben (LHC) is folynak.

Az Einstein-féle elmélet nem szabja meg, hogy hány dimenzió létezhet, így az elméleti fizikusok magasabb dimenziókba is kiterjesztették azt, és vizsgálják, hogy a “kozmikus cenzúra” itt is működik-e. Az ötdimenziós gyűrű alakú, vékony fekete lyukak felfedezése és dinamikájuknak a modellezése azt sejteti, hogy nem, azaz magasabb dimenziókban létezhetnek csupasz szingularitások.

Figuerasnak és kollégáinak a COSMOS szuperszámítógéppel sikerült magasabb dimenziókban szimulálni az Einstein-féle elmélet működését, aminek eredményeként nem csak az derült ki, hogy ezek a furcsa “fekete gyűrűk” instabilak, de az is, hogy mi lesz velük. A szimulációk során a legtöbb esetben a fekete gyűrű gömbbé roskadt össze, így a szingularitás az eseményhorizont mögött maradt. A nagyon vékony fekete gyűrűk azonban annyira instabillá válhattak, hogy azokból egyre vékonyodó szálakkal összekötött dudorok alakultak ki, a szálak pedig végül csupasz szingularitásokká szakadtak. Ha magasabb dimenziókban nem működik a kozmikus cenzúra, akkor Tunyasuvunakool szerint annak kell utánajárnunk, hogy mi teszi különlegessé a négydimenziós univerzumunkat, amelyben a széles körben elfogadott nézet szerint viszont kifejti a hatását. Ha végül azonban mégsem bizonyulna igaznak, akkor más utat kell keresnünk az univerzum magyarázatára. Ilyen lehet az elméleti fizika nagy célja, a kvantumgravitáció törvényeinek megalkotása, amelyek a szingularitásoktól messze ugyan csak közelítenék az Einstein-egyenleteket, azokhoz közel azonban egészen új fizikát írnának le. 

Az eredményeket részletező szakcikk a Physical Review Letters c. folyóiratban jelent meg.