A fekete lyukak az univerzum talán legtitokzatosabb tárgyai. Kivéve persze, ha valahol a mélyben el vannak rejtve olyan dolgok, amelyek létét nem ismerjük és nem is tudjuk, ami nem valószínű. A fekete lyukak hatalmas tömegűek és sűrűek, kis sugarú pontokba vannak összenyomva. Ezeknek a tárgyaknak a fizikai tulajdonságai annyira furcsák, hogy a legkifinomultabb fizikusokat és asztrofizikusokat rejtik el. Sabine Hossfender elméleti fizikus tíz tényből álló válogatást állított össze a fekete lyukakról, amelyeket mindenkinek tudnia kell.
Mi a fekete lyuk?
A fekete lyuk meghatározó tulajdonsága a horizontja. Ez egy határ, amelyen túl semmi, még a fény sem térhet vissza. Ha egy elszakadt terület örökre elszakad, akkor "eseményhorizontról" beszélünk. Ha csak ideiglenesen választják el, akkor a "látható horizontról" beszélünk. De ez az "ideiglenes" azt is jelentheti, hogy a régió sokkal hosszabb ideig lesz elválasztva, mint az univerzum jelenlegi kora. Ha a fekete lyuk horizontja ideiglenes, de hosszú életű, az első és a második közötti különbség homályos.
Mekkora a fekete lyuk?
Elképzelheti, hogy a fekete lyuk horizontja gömb, és átmérője egyenesen arányos lesz a fekete lyuk tömegével. Ezért minél több tömeg esik a fekete lyukba, annál nagyobb lesz a fekete lyuk. A csillagtárgyakhoz képest azonban a fekete lyukak aprók, mert a tömeg rendkívül kis gravitációs nyomás hatására nagyon kis térfogatokba tömörül. A fekete lyuk sugara például a Föld bolygó tömegével csak néhány milliméter. Ez 10 000 000 000-szer kisebb, mint a Föld jelenlegi sugara.
Promóciós videó:
A fekete lyuk sugarát Schwarzschild sugárnak nevezik Karl Schwarzschild után, aki először a fekete lyukakat vezette le Einstein általános relativitáselméletének megoldásaként.
Mi történik a láthatáron?
Amikor átlépsz a láthatáron, semmi különös nem történik körülötted. Mindez Einstein ekvivalencia-elvének köszönhető, amelyből az következik, hogy nem lehet megtalálni a különbséget a sík térbeli gyorsulás és a tér görbületét létrehozó gravitációs mező között. Azonban a fekete lyuktól távol eső megfigyelő, aki figyel arra, hogy valaki más ebbe essen, észreveszi, hogy az illető a láthatárhoz közeledve egyre lassabban halad. Mintha az idő lassabban mozdulna el az eseményhorizont közelében, mint a láthatártól. Egy idő azonban eltelik, és a lyukba eső megfigyelő átlépi az esemény horizontját, és a Schwarzschild sugarán belül találja magát.
Amit a láthatáron tapasztal, az a gravitációs mező árapályerejétől függ. A láthatáron lévő árapályerők fordítottan arányosak a fekete lyuk tömegének négyzetével. Ez azt jelenti, hogy minél nagyobb és masszívabb a fekete lyuk, annál kisebb az erő. És ha csak a fekete lyuk elég masszív, akkor átkelhet a láthatáron, mielőtt észrevenné, hogy valami történik. Ezeknek az árapályerőknek a hatása meghúzza Önt: a fizikusok erre használt szakkifejezése spagettizálás.
Az általános relativitáselmélet korai szakaszában azt hitték, hogy szingularitás van a láthatáron, de kiderült, hogy nem ez a helyzet.
Mi van a fekete lyukban?
Senki sem tudja biztosan, de a könyvespolc biztosan nem. Az általános relativitáselmélet azt jósolja, hogy a fekete lyukban szingularitás van, egy olyan helyen, ahol az árapályerők végtelenül nagyokká válnak, és ha túlhalad az eseményhorizonton, nem mehet máshova, csak a szingularitásba. Ennek megfelelően jobb, ha ezeken a helyeken nem használjuk az általános relativitáselméletet - egyszerűen nem működik. Ahhoz, hogy elmondhassuk, mi történik egy fekete lyuk belsejében, szükségünk van a kvantum gravitáció elméletére. Általánosan elfogadott, hogy ez az elmélet helyettesíti az egyediséget valami mással.
Hogyan keletkeznek a fekete lyukak?
Jelenleg négy különböző módon ismerjük a fekete lyukakat. A legjobb megértés a csillag összeomlásával jár. Elég nagy csillag fekete lyukat képez, miután a magfúziója leáll, mert mindent szintetizáltak, ami már szintetizálható volt. Amikor a fúzió által létrehozott nyomás megszűnik, az anyag a saját gravitációs központja felé kezd esni, és egyre sűrűbbé válik. Végül annyira sűrűvé válik, hogy semmi sem tudja leküzdeni a csillag felszínén lévő gravitációs hatást: így születik egy fekete lyuk. Ezeket a fekete lyukakat "naptömegű fekete lyukaknak" nevezik, és ezek a leggyakoribbak.
A fekete lyukak következő gyakori típusa a "szupermasszív fekete lyuk", amely számos galaxis központjában található, és amelynek tömege a napfekete lyukaknak körülbelül egymilliárdszorosa. Egyelőre nem tudni pontosan, hogyan alakulnak ki. Úgy gondolják, hogy egykor naptömegű fekete lyukakként kezdődtek, amelyek a sűrűn lakott galaktikus központokban sok más csillagot emésztettek fel és nőttek. Úgy tűnik azonban, hogy gyorsabban szívják fel az anyagot, mint ez az egyszerű ötlet sugallja, és hogy pontosan hogyan csinálják, az továbbra is kutatás tárgya.
Vitatottabb ötlet volt az ősfekete lyukak, amelyeket a korai világegyetem nagy sűrűségű ingadozásaiban szinte minden tömeg kialakíthatott. Bár lehetséges, nehéz olyan modellt találni, amely túltermelés nélkül elkészíti őket.
Végül van egy nagyon spekulatív ötlet, hogy apró fekete lyukak alakulhatnak ki a Higgs-bozon tömegéhez közeli tömegekkel a Nagy hadronütközőnél. Ez csak akkor működik, ha univerzumunknak extra dimenziói vannak. Eddig nem volt megerősítés ezen elmélet mellett.
Honnan tudjuk, hogy léteznek fekete lyukak?
Sok megfigyelési bizonyíték áll rendelkezésünkre a nagy tömegű, fényt nem kibocsátó kompakt tárgyakról. Ezek az objektumok gravitációs vonzerővel adják át magukat, például más csillagok vagy körülöttük lévő gázfelhők mozgása miatt. Gravitációs lencsét is létrehoznak. Tudjuk, hogy ezeknek az objektumoknak nincs szilárd felülete. Ez a megfigyelésekből következik, mert egy felülettel rendelkező tárgyra eső anyagnak több részecske felszabadulását kell előidéznie, mint a láthatáron áteső anyagot.
Miért mondta Hawking tavaly, hogy nem léteznek fekete lyukak?
Arra gondolt, hogy a fekete lyukaknak nincs örök eseményhorizontja, hanem csak ideiglenes látszólagos horizontja van (lásd az első bekezdést). Szigorú értelemben csak az eseményhorizont tekinthető fekete lyuknak.
Hogyan bocsátják ki a fekete lyukak a sugárzást?
A fekete lyukak a kvantumhatások miatt sugárzást bocsátanak ki. Fontos megjegyezni, hogy ezek az anyag kvantumhatásai, nem pedig a gravitáció kvantumhatásai. Az összeomló fekete lyuk dinamikus térideje megváltoztatja a részecske meghatározását. Az idő múlásához hasonlóan, amely egy fekete lyuk mellett torzul, a részecskék fogalma is túlságosan függ a megfigyelőtől. Különösen, ha egy fekete lyukba eső megfigyelő azt gondolja, hogy egy vákuumba esik, a fekete lyuktól távol eső megfigyelő úgy gondolja, hogy ez nem vákuum, hanem részecskékkel teli tér. A téridő nyújtása okozza ezt a hatást.
Először Stephen Hawking fedezte fel, a fekete lyuk által kibocsátott sugárzást Hawking sugárzásnak hívják. Ennek a sugárzásnak fordítottan arányos hőmérséklete van a fekete lyuk tömegével: minél kisebb a fekete lyuk, annál magasabb a hőmérséklet. A csillag- és szupermasszív fekete lyukak, amelyekről tudjuk, hogy a mikrohullámú háttér hőmérsékleténél jóval alacsonyabb hőmérsékletűek, ezért nem figyelhetők meg.
Mi az információs paradoxon?
Az információvesztés paradoxonját Hawking sugárzása okozza. Ez a sugárzás pusztán termikus, vagyis csak véletlenül és bizonyos tulajdonságokkal rendelkezik. Maga a sugárzás nem tartalmaz információt a fekete lyuk kialakulásáról. De amikor egy fekete lyuk sugárzást bocsát ki, tömegét veszti és összehúzódik. Mindez teljesen független attól az anyagtól, amely a fekete lyuk részévé vált, vagy amelyből kialakult. Kiderült, hogy csak a párolgás végső állapotának ismeretében nem lehet megmondani, hogy mi keletkezett a fekete lyukban. Ez a folyamat "visszafordíthatatlan" - és a fogás az, hogy a kvantummechanikában nincs ilyen folyamat.
Kiderült, hogy a fekete lyuk elpárolgása nem egyeztethető össze a kvantumelmélettel, ahogyan ismerjük, és tenni kell valamit. Valahogy szüntesse meg az ellentmondást. A legtöbb fizikus úgy gondolja, hogy a megoldás az, hogy a Hawking-sugárzásnak valamilyen módon tartalmaznia kell információt.
Mit javasol Hawking a fekete lyuk információs paradoxonjának megoldására?
Az ötlet az, hogy a fekete lyukaknak olyan módon kell tárolniuk az információkat, amelyeket még nem fogadtak el. Az információkat egy fekete lyuk horizontján tárolják, és apró részecskék elmozdulásokat okozhatnak Hawking sugárzásában. Ezekben az apró elmozdulásokban lehetnek információk a csapdába esett anyagról. A folyamat pontos részletei jelenleg nem világosak. A tudósok Stephen Hawking, Malcolm Perry és Andrew Strominger részletesebb műszaki cikkére várnak. Azt mondják, szeptember végén jelenik meg.
Jelenleg biztosak vagyunk abban, hogy léteznek fekete lyukak, tudjuk, hol vannak, hogyan alakulnak és mivé válnak végül. De azok a részletek, amelyek az információkhoz jutnak, még mindig az univerzum egyik legnagyobb rejtélyét jelentik.
Ilya Khel