A fekete lyukak kusza kamrájában két alapvető elmélet ütközik egymással. Valóban léteznek-e fekete lyukak? Úgy tűnik, hogy igen. Meg lehet-e oldani az alapvető problémákat, amelyek a fekete lyukak alaposabb vizsgálata során merülnek fel? Ismeretlen. Ahhoz, hogy megértse, mi a tudósok foglalkoznak, egy kicsit bele kell merülnie ezen szokatlan tárgyak kutatásának történetébe. És azzal kezdjük, hogy a fizikában létező összes erő közül van egy, amelyet egyáltalán nem értünk: gravitáció.
A gravitáció az alapvető fizika és a csillagászat kereszteződése, a határ, amelyen a világot leíró két legalapvetőbb elmélet ütközik: kvantumelmélet és Einstein tér-idő és gravitáció elmélete, más néven az általános relativitáselmélet.
Fekete lyukak és a gravitáció
Úgy tűnik, hogy ez a két elmélet összeegyeztethetetlen. És ez még nem is probléma. Különböző világokban léteznek, a kvantummechanika nagyon kicsit, az általános relativitáselmélet pedig nagyon nagyot ír le.
Csak akkor, ha rendkívül kicsi skálákhoz és extrém gravitációhoz érkezik, ütköznek a két elmélet, és valamelyikük kiderül, hogy rossz. Mindenesetre az elméletből következik.
De van egy hely az univerzumban, ahol valójában szemtanúja lehetünk ennek a problémának, és talán még megoldhatjuk is: egy fekete lyuk széle. Itt találkozunk a legszélsőségesebb gravitációval. De van egy probléma: még soha senki sem "látott" egy fekete lyukat.
Promóciós videó:
Mi a fekete lyuk?
Képzelje el, hogy a fizikai világban minden dráma a téridő színházában bontakozik ki, de a gravitáció az egyetlen erő, amely megváltoztatja a színházat, amelyben játszották.
A gravitációs erő irányítja az univerzumot, de lehet, hogy nem is erõ a hagyományos értelemben. Einstein a tér-idő deformációjának következményeként írta le. És talán csak nem illeszkedik a részecskefizika standard modelljébe.
Amikor egy nagyon nagy csillag élettartama végén felrobban, annak legbelső része saját gravitációja alatt összeomlik, mivel már nincs elegendő üzemanyag a gravitáció elleni nyomás fenntartásához. Végül is, a gravitáció továbbra is képes erőt kifejteni, úgy tűnik.
Az anyag összeomlik, és a természetben nincs erő hagyhatja el ezt az összeomlást.
Végtelen időn belül egy csillag végtelen pontba összeomlik: egy szingularitás, vagy nevezzük fekete lyuknak. De véges időben, természetesen, a csillagmag összeomlik véges méretűekké, és még mindig hatalmas tömege lesz egy végtelenül kis területen. És azt is fekete lyuknak hívják.
A fekete lyukak nem szívnak mindent körül
Figyelemre méltó, hogy az a gondolat, hogy egy fekete lyuk elkerülhetetlenül mindent magába szív, téves.
Valójában, függetlenül attól, hogy csillagot kering, vagy egy csillagból képződött fekete lyukat - nem számít, amíg a tömeg ugyanaz marad. A jó régimódi centrifugális erő és a szögmozgása biztonságban fogja tartani, és megakadályozza az esést.
Csak akkor léphet befelé, ha bekapcsolja a rakétaféket, hogy megszakítsa a centrifugálást.
Amint azonban fekete lyukakba esik, fokozatosan felgyorsul egyre nagyobb sebességre, amíg végre meg nem éri a fénysebességet.
Miért nem összeegyeztethetetlen a kvantumelmélet és az általános relativitáselmélet?
Jelenleg minden darabokra megy, mivel az általános relativitáselmélet szerint semmi sem mozoghat gyorsabban, mint a fénysebesség.
A fény egy olyan szubsztrát, amelyet a kvantum világban használnak erők cseréjére és információ továbbítására a makrokozmoszba. A fény meghatározza, hogy milyen gyorsan tudják összekapcsolni az ok-okozati összefüggést. Ha a fénynél gyorsabban mozog, láthatja az eseményeket és megváltoztathatja a dolgokat, mielőtt azok megtörténnének. Ennek két következménye van:
- Azon a ponton, ahol a fénysebességet a befelé eséssel érheti el, szintén nagyobb sebességgel kell repülnie ebből a pontból, ami lehetetlennek tűnik. Ezért a szokásos fizikai bölcsesség azt fogja mondani, hogy semmi nem hagyhat fekete lyukat azáltal, hogy lebontja ezt az akadályt, amelyet „eseményhorizontnak” is hívunk.
- Ebből az is következik, hogy a kvantuminformáció megőrzésének alapelveit hirtelen megsértik.
Kérdés, hogy ez igaz-e, és hogyan lehet módosítani a gravitáció elméletét (vagy kvantumfizikát) - olyan kérdések, amelyekre sok fizikus keres választ. És egyikünk sem tudja megmondani, mely érvekkel fogunk végezni.
Léteznek fekete lyukak?
Nyilvánvaló, hogy ez az izgalom csak akkor igazolható, ha a fekete lyukak valóban léteznek ebben az univerzumban. Szóval léteznek?
Az elmúlt évszázadban meggyőzően bebizonyították, hogy néhány intenzív röntgen-sugárzású bináris csillag valójában olyan csillag, amely fekete lyukakba zuhant.
Sőt, a galaxisok központjában gyakran találunk bizonyítékot hatalmas, sötét tömegkoncentrációkra. Ezek lehetnek a fekete lyukak szupermasszív változatai, valószínűleg sok csillag és gázfelhő összeolvadásával, amelyek belemerültek a galaxis közepébe.
A bizonyítékok erős, de közvetett. A gravitációs hullámok lehetővé tették számunkra, hogy legalább "halljuk" a fekete lyukak összeolvadását, de az eseményhorizont aláírása még mindig megfoghatatlan, és eddig még soha nem látottunk "fekete lyukakat" - egyszerűen túl kicsi, túl távoli és a legtöbb esetben túl fekete.
Hogyan néz ki egy fekete lyuk?
Ha közvetlenül egy fekete lyukba nézi, akkor a képzeletbeli legsötétebb sötétséget fogja látni.
A fekete lyuk közvetlen környezete azonban elég fényes lehet, mivel a gázok befelé vannak spirálisan - lelassul az általuk szállított mágneses mezők ellenállása miatt.
A mágneses súrlódás miatt a gázt több tízmilliárd fokos óriási hőmérsékletre hevítik, és ultraibolya és röntgen sugárzást bocsátanak ki.
A gáz mágneses mezőjével kölcsönhatásba lépő ultra-forró elektronok intenzív rádiófrekvenciát bocsátanak ki. Így a fekete lyukak izzhatnak, és körül lehet őket különféle hullámhosszon kibocsátó tűzgyűrűvel.
Tűzgyűrű fekete-fekete közepén
És mégis, közvetlenül a közepén, az eseményhorizont, mint egy ragadozó madár, minden fotont elkap, amely túl közel kerül.
Mivel a teret a fekete lyuk hatalmas tömege ívesíti, a fény útjai szintén meghajlanak és szinte koncentrikus köröket képeznek a fekete lyuk körül, mint a szerpentinek a mély völgy körül. Ezt a fényhatást már 1916-ban, a híres matematikus, David Hilbert kiszámította, néhány hónappal azután, hogy Albert Einstein elkészítette az általános relativitáselmélet elméletét.
A fekete lyuk többszörös átjárása után a fénysugarak egy része elmenekülhet, míg mások az eseményhorizonton végződnek. Ezen a bonyolult fényutakon szó szerint be tud lépni egy fekete lyukba. És a „semmi”, amely a tekintete számára megjelenik, az esemény horizontja lesz.
Ha fényképeket készít egy fekete lyukról, látni fog egy fekete árnyékot, amelyet egy ragyogó köd vesz körül. Ezt a funkciót fekete lyuk árnyékának neveztük.
Figyelemre méltó, hogy ez az árnyék nagyobb, mint amire számíthatnánk, ha az eseményhorizont átmérőjét vesszük alapjául. Ennek oka az, hogy a fekete lyuk úgy viselkedik, mint egy hatalmas lencse, és erősíti magát.
Az árnyék környezetet apró "foton gyűrű" képviseli majd, mivel a fény szinte örökre körbeforog a fekete lyuk körül. Ezen felül további fénygyűrűk jelennek meg az eseményhorizont közelében, de a lencsehatás miatt a fekete lyuk árnyékában koncentrálódnak.
Fantasy vagy valóság?
Lehet, hogy egy fekete lyuk valódi találmány, amelyet csak egy számítógéppel lehet modellezni? Vagy láthatja a gyakorlatban? Válasz: lehetséges.
Az univerzumban két viszonylag közeli szupermasszív fekete lyuk található, amelyek annyira nagyok és közel vannak, hogy árnyékukat modern technológia segítségével el lehet ragadni.
Tejútunk középpontjában 26 000 fényév távolságra vannak a fekete lyukak, amelyek tömege a Nap tömegének 4 milliószorosa, és egy fekete lyuk az M87 óriási elliptikus galaxisban (Messier 87), amelynek tömege 3-6 milliárd nap.
Az M87 ezerszer távolabb, de ezerszer hatalmasabb és ezerszer nagyobb, tehát mindkét tárgy körülbelül ugyanolyan átmérőjű árnyalattal rendelkezik, mint az ég felé vetítve.
Lásd egy gabona mustárt New York-ból Európából
Véletlenszerűen, az egyszerű sugárzási elméletek előrejelzik, hogy mindkét objektum esetén az eseményhorizont közelében keletkező sugárzást legalább 230 Hz rádiófrekvencián bocsátják ki.
Legtöbben csak akkor találkoznak ezekkel a frekvenciákkal, amikor át kell vennünk a szkennert egy modern repülőtéren. A fekete lyukak folyamatosan úsznak bennük.
Ennek a sugárzásnak nagyon rövid hullámhossza van - egy milliméter nagyságrendben -, amelyet a víz könnyen felszív. Annak érdekében, hogy a távcső megfigyelje a kozmikus milliméter hullámait, azt magasan kell helyezni egy száraz hegyre, hogy elkerülje a sugárzás abszorpcióját a Föld troposzférájában.
Alapvetően szükségünk van egy milliméteres teleszkópra, amely láthatja egy mustármag méretű tárgyat New Yorkban valahol Hollandiából. Ez a távcső ezerszer élesebb lesz, mint a Hubble űrteleszkóp, és milliméter hullámhosszon az ilyen távcső mérete Atlanti-óceán vagy annál nagyobb.
Föld méretű virtuális távcső
Szerencsére nem kell egyetlen rádióedénnyel lefednünk a Földet, mert felépíthetünk egy azonos felbontású virtuális távcsövet, amely a Föld körül különböző hegyekben található távcsövek adatait egyesíti.
Ezt a technikát nevezzük rekesz szintézisnek és nagyon hosszú bázisos interferometrianak (VLBI). Az ötlet meglehetősen régi és több évtizeden keresztül bevált, de csak most vált lehetővé magas rádiófrekvencián történő alkalmazás.
Az első sikeres kísérletek azt mutatták, hogy az eseményhorizont szerkezete ilyen frekvenciákon megvizsgálható. Most már van minden, amire szükség van egy ilyen kísérlet nagyszabású elvégzéséhez.
A munka már folyamatban van
A BlackHoleCam Projekt egy európai projekt az asztrofizikai fekete lyukak tökéletes képének, mérésének és megértésének. Az európai projekt egy globális együttműködés része - az Event Horizon Telescope konzorcium, amely több mint 200 tudósból áll Európából, Amerikából, Ázsiából és Afrikából. Együtt akarják elkészíteni az első képet egy fekete lyukról.
2017 áprilisában nyolc teleszkóppal megfigyelték a galaktikus központot és az M87-et hat különböző hegyen Spanyolországban, Arizonában, Hawaii-ban, Mexikóban, Chilében és a déli póluson.
Az összes távcsövet pontos atomi órákkal láttuk el az adatok pontos szinkronizálása érdekében. A tudósok több petabájtnyi nyers adatot rögzítettek, az akkoriban meglepően jó időjárási viszonyoknak köszönhetően.
Fotó egy fekete lyukról
Ha a tudósoknak sikerül látni az esemény horizontját, akkor tudni fogják, hogy a kvantumelmélet és az általános relativitáselmélet összekapcsolásánál felmerülő problémák nem elvont, hanem nagyon valósak. Talán ekkor oldhatók meg.
Ez úgy érhető el, hogy világosabb képet kap a fekete lyukak árnyékairól, vagy a csillagok és pulzátorok nyomon követésével a fekete lyukak környékén, az összes rendelkezésre álló módszer felhasználásával ezen objektumok tanulmányozására.
A jövőben talán a fekete lyukak válnak egzotikus laboratóriumunkké.
Ilya Khel