A fekete lyukak kétségkívül a csillagászat (és a sci-fi) legmisztikusabb objektumai: extrém gravitációjuk, egzotikus természetük és rejtélyes eredetük egyaránt teszi rendkívülivé őket. A kérdések feloldásában az sem segít, hogy kutatásuk igen csak behatárolt a távolságuk és az elektromágneses sugárzásuk teljes hiánya miatt. A közelmúltban azonban legalább a felfedezésükhöz és a tömegmérésükhöz új csatornát fejlesztett ki az emberiség: ez a gravitációs hullámok, a téridő rezdüléseinek detektálása. Segítségükkel már néhány év alatt is úttörő felfedezések születtek, immáron pedig nem csak a fekete lyukak két végletéről (értsd, kis és szupernagy tömegű) vannak megfigyelési adataink, hanem a köztes objektumokról is.

Az Interstellar (Csillagok között) c. filmben szereplő fekete lyuk és világító környezete, amelyek szakértők segítségével realisztikusan modelleztek. (Forrás: Double Negative / Interstellar)

A fekete lyukak valós természetéről nincs (sok) információnk. A megfigyelő csillagászat elsődleges információforrása ugyanis az elektromágneses sugárzás: a gamma- és röngtenfotonoktól kezdve a látható fény tartományán át egészen a rádióhullámokig. A fekete lyukakról azonban köztudott, hogy olyan erős gravitációs potenciállal bírnak, amelyből semmi nem szabadulhat – még a fény sem. Egy olyan objektum, amelyről nem érkezik semmiféle sugárzás, az egyszerűen nem látszik, vagyis nem vagyunk képesek közvetlenül megfigyelni.

Egy fekete lyuk környezetének illusztrációja. (Kép: M. Kornmesser / N. Bartmann; ESO, ESA/Hubble)

Ezért is csalóka kissé a tavalyi év nagy tudományos szenzációja, az M87 galaxis központi fekete lyukáról (M87*) készült kép, pontosabban annak reprezentációja a médiában ("lefotóztak egy fekete lyukat", és társai...). A valóban tudományos és technikai mérföldkőnek számító felvétel ugyanis "csak" az M87* közvetlen környezetét mutatja meg, ahol a forró plazma állapotú anyag a fekete lyukba spirálozódik (az igazán nagy áttörés az az elképesztő mértékű szögnagyítás, amelynek révén lehetővé vált a kép elkészítése). Maga a rejtélyes objektum még csak nem is a kép közepén megfigyelhető sötétség, ez utóbbi ugyanis a fekete lyuk "árnyéka", amelyből bár kijuthat a fény, az extrém gravitáció miatt oly mértékben térül el, hogy nem jut el a távoli megfigyelőhöz. A fekete lyuk ún. eseményhorizontja, amelyet az objektum elméleti határának foghatunk fel, nagyjából 2,4-szer kisebb, mint a kép centrumában látható feketeség! Hát ennyire lehetséges megfigyelni egy fekete lyukat...

Az ominózus felvétel az M87 galaxis centrumában lévő szupernagy tömegű fekete lyuk akkréciós korongjáról (Forrás: Event Horizont Telescope)

Mindez erősen korlátozza azt is, hogy egyáltalán miként fedezhető fel egy fekete lyuk jelenléte. Szerencsére közvetett módszerekkel a fekete lyukak nyomára lehet bukkanni, az extrém gravitációjuk ugyanis hatással van nem csak a közvetlen, de akár a sok fényév távolságra lévő környezetükre is. A fekete lyuk közelébe kerülő gázanyag (ún. akkréciós korong) sugárzása és a gravitációs terében keringő csillagok extrém mozgása mellett néhány éve már új megfigyelési technikával is fel tudunk fedezni fekete lyukakat a gravitációs hullámok detektálása révén. Habár minden tömeggel rendelkező test mozgása gravitációs hullámokat kelt, jelenlegi technológiánkkal csak kompakt (értsd, extrém nagy sűrűségű) objektumok összeolvadását tudjuk detektálni. Ez a gyakorlatban fekete lyukak és neutroncsillagok egymásba spirálozódását jelenti. A gravitációshullám-detektorok a téridő torzulását, vagyis gyakorlatban a tárgyak és a távolságok igen kis mértékű megnyúlását detektálják. Az USA-ban (két LIGO-detektor), valamint Olaszországban (Virgo) található detektorok a 2015-ös első felfedezés óta, ha nem is futószalagon, de megbízhatóan szállítják a gravitációshullám-észleléseket.

A gravitációs hullámokról és detektálási technikáról ebben a bejegyzésben olvashatsz bővebben.

Az eddig felfedezett neutroncsilalgok (sárgával) és fekete lyukak (kékkel) tömegeloszlása. A gravitációs hullám detektálások révén talált összeolvadásokat nyilak jelölik (legfelül, középen a GW190521). (Kép: LIGO-Virgo / Northwestern U. / Frank Elavsky & Aaron Geller)

Szeptember 2-án azonban újabb izgalmas felfedezésről számoltak be a gravitációs hullámokat kereső LIGO-Virgo kollaboráció kutatói. A tavaly májusban megfigyelt GW190521 gravitációs hullám mindössze 0,1 másodpercig tartó jelének analízise alapján egy 66 és egy 85 naptömegű fekete lyuk olvadt össze, amelyből egy 142 naptömegű fekete lyuk született – nem véletlen, hogy első ránézésre nem jön ki a matek, a 9 naptömegnyi hiány ugyanis (főként) gravitációs hullámok formájában sugárzódott szét (és vált ezáltal az egész folyamat észlelhetővé). A megfigyelés több szempontból is különlegesnek számít. Egyrészt ez az eddigi legrövidebb ideig tartó, legerősebb jel, amelynek eredete is a legmesszebbre (legrégebbre) mutat – közel hétmilliárd fényévre! Azonban mindezen tulajdonságoknál is fontosabb jellemző a tömeg.

Illusztráció a GW190521 felfedezését bejeltő sajtóanyagból.

A fekete lyukak egy részének keletkezését ugyanis rejtély övezi. Azt viszonylag nagy bizonyossággal tudjuk, hogy a 3-70 naptömegű fekete lyukak nagy tömegű csillagok élete végén, azok szupernóvaként való felrobbanásuk során keletkeznek. Innentől kezdve még erős gravitációjuk révén gyűjtögethetnek (szakszóval: akkretálhatnak) némi anyagot a környező gázfelhőkből, törmelékből, esetleg csillagokból is, azonban jelentős tömegnövekedés már nem valószínű: egyszerűen kiürül a fekete lyuk környezete, és a következő milliárd éveket változatlan formában tölti.

A csillagok életének (erősen leegyszerűsített) két útja: a csillagtömegű fekete lyukak nagy tömegű csillagok szupernóva-robbanása során keletkeznek. (Forrás: astro.elte.hu)

Akadnak ugyanakkor a már fentebb is említett monstrumok, amelyek galaxisok centrumában tanyáznak, tömegük pedig a néhány százezertől a sok milliárd naptömegig terjed. Kialakulásuk a mai napig nem teljesen tisztázott. A galaxisok centrumában lévő nagyobb gázsűrűség és csillagkoncentráció miatt létrejöhettek a folytonos akkréció és kisebb fekete lyukak összeolvadása révén, de az sem elképzelhetetlen, hogy már a korai Univerzum sűrű anyagában kialakultak, a későbbiekben pedig csak a ritka galaxis-összeolvadások során (amikor is két szupernagy tömegű fekete lyuk egyesülhet) nőttek tovább jelentősebb mértékben.

Az MUSE detektorok mérései révén egy összeolvadás közben lévő galaxis-trió olyan mélységeibe is beláthatunk, amelyekre hagyományos optikai felvételekkel egyébként nem: a nagyított részlet három sárgás régiója egy-egy szupernagy tömegű fekete lyuk jelenlétét mutatja. (Forrás: P. Weilbacher / NASA / ESA / Hubble Heritage / A. Evans  / NRAO)

A fekete lyukak két végletét tehát hellyel-közzel ismerjük, legalábbis ami a lehetséges kialakulásukat és a megfigyelt példákat illeti. A köztes 100-10000 naptömegű tartomány, azaz a közepes tömegű fekete lyukak (intermediate mass black hole, IMBH) csoportja azonban mindkét szempontból rejtély volt. Egészen pontosan feltételezett detektálások történtek, azonban mind ezek bizonytalansága, mind pedig mindössze maroknyi számuk lehetetlenné tette, hogy a közepes tömegű fekete lyukak kialakulásáról és fejlődéséről alkotott elméleteket tovább finomíthassuk. A GW190521 azonban mindkét szempontból áttörést jelent. A gravitációs hullámok analízise kellően pontos tömegbecslést tesz lehetővé ahhoz, hogy teljes bizonyossággal megállapíthassuk a 142 naptömegű fekete lyuk kialakulását – vagyis első alkalommal sikerült kétséget kizáróan egy IMBH-t azonosítani! Mivel pedig a jel kialakulása eleve két fekete lyuk összeolvadása során keletkezett, így ez a folyamat lépett elő az IMBH-k kialakulásának első számú jelöltjévé.

A fekete lyukak összespirálozódása és a kibocsájtott gravitációs hullámok szemléltetése (Forrás: T. Pyle/LIGO)

Az pedig már csak hab a tortán, hogy jelen ismereteink szerint a végzetes keringőben résztvevő 85 naptömegű fekete lyuk sem jöhetett létre közvetlenül egy szupernóva-robbanás után. Jelen ismereteink szerint a csillagok legfeljebb 60-70 naptömeges határig hagynak hátra fekete lyukat, ezen határ felett a feltételezett robbanások az objektum teljes megsemmisülésével járnak. Magyarán már a 85 naptömegű fekete lyuk is valószínűsíthetően összeolvadás(ok) útján jöhetett létre, megerősítve, hogy a folyamat (ún. hierarchikus módon) több generáción át tarthat, egyre nagyobb monstrumokat hozva létre.

 A GW190521 gravitációs hullám észlelése révén talált objektum gyaníthatóan már sokadik generációs fekete lyuknak számít. (Kép: LIGO/Caltech/MIT/IPAC/R. Hurt)

Ez a fajta hierarchikus növekedés ugyan nem oldja meg a szupernagy tömegű fekete lyukak keletkezésének rejtélyét (ez a folyamat önmagában nem elég gyors a galaxisok központi monstrumainak milliárd évekkel ezelőtti kialakulásához), sőt, könnyen lehet, hogy az IMBH-k is többféle eredettel rendelkeznek. A jelenlegi elméletek igazolása miatt a felfedezés mégis úttörő jelentőségű, ráadásul jócskán megelőzte azokat a detektorokat, amelyek direkt a közepes tömegkategóriára fognak fókuszálni. A LIGO/Virgo detektoroknál nagyobb hullámhosszú (alacsonyabb frekvenciájú -> nagyobb tömegű objektumok összeolvadásából származó) gravitációs hullámokat is érzékelni képes európai Einstein Telescope, valamint az űrbe telepítendő LISA konstrukció ugyanis a 2030-as évek közepe előtt biztosan nem fognak működésbe lépni - másfél évtized pedig még az elméleti kutatásokban is igencsak hosszú időszak.

A LISA működésének alapelve megegyezik a felszíni LIGO/Virgo kollaborációjéval: a gravitációs hullámok miatt megváltozik a fény útja, vagyis két detektálási pont közti távolság. Mindezt azonban az űrbe telepítik majd, a detektálási pontok pedig 1-3 km helyett 5 millió km-re lesznek egymástól! (Kép: NASA)

Ha viszont egyszer megvalósulnak a fenti projektek, futószalagon fogják szállítani a neutroncsillagok, kompakt kettősök és fekete lyukak felfedezését. Ttóbbiakat pedig minden méretben és távolságban: a kicsitől a szupernagy tömegűig, a kozmológiai szomszédságunktól az Ősrobbanást követő első fekete lyukakig.

Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fiction-ről egyaránt.