Négy éven belül harmadszor is csillagászati/kozmológiai vonatkozású eredményekért ítélték oda a fizikai Nobel-díjat: idén Andrea Ghez, Reinhard Genzel és Roger Penrose kapta meg a legrangosabb tudományos elismerést a fekete lyukak kutatása terén elért eredményeikért. Ezek a rejtélyes objektumok természetüknél fogva rendkívül kevés információval szolgálnak a kutatók számára, így mind megfigyelési, mind pedig elméleti fronton az apró előrelépések is élvonalbeli tudományos eredményeknek számítanak. Az igazán úttörő munkák beérésére pedig gyakran évtizedeket kell várni, mint ahogy a három díjazott esetében is történt.

Az elméleti felvetés, miszerint létezhet olyan nagy tömegű objektum, amelynek gravitációs teréből még a fény sem szabadulhat, meglepően régi: még 1783-ban jegyezte le John Michell fizikus. Bő egy évtizeddel később Pierre-Simon Laplace (tőle függetlenül) ugyanerre a következtetésre jutott – a legtöbb forrás neki tulajdonítja a fekete lyukak első felvetését. Igaz, ekkor még a kifejezés nem is létezett, és a 18.század végén még csak az extrém tömegű csillagok belsejében képzeltek el ilyesféle régiót. Az ezt követő bő egy évszázadban nem is történt előrelépés a témában, mivel a gravitációkutatás területén sem született úttörő eredmény.

Gravitációs gyorstalpaló: a gravitációs erőhatást leíró newtoni egyenletben az egy objektum által egy másik testre gyakorolt vonzó erő a két test tömegétől és a köztük lévő távolságtól függ (utóbbitól négyzetesen és fordítottan, tehát minél messzebb vannak egymástól, annál gyengébb a hatás). Ha csak egy vizsgált test által keltett gravitációt akarunk jellemezni, akkor gravitációs potenciálról beszélünk: ez a test tömegével egyenesen arányosan nő, a tőle mért távolsággal viszont négyzetesen csökken. Vagyis önmagában egy óriási tömegű testnek még nem lesz extrém a gravitációja (mint ahogy vannak csillagoknál is kisebb tömegű fekete lyukak), a kulcs a kis térrészben koncentrálódott nagy tömeg.

Két test között ható gravitációs erő a két tömeg (M1 és M2) szorzatával egyenesen, míg a távolság (d) négyzetével fordítottan arányos. Utóbbit az egyes testek tömegközéppontjától (jelen esetben közepétől) mérjük, így pl. egy nagy méretű csillagnak kisebb a gravitációs "ereje" (potenciálja), mint a nála kisebb tömegű fekete lyukaknak. (Kép: Addison Wesley)

Többek között ebben is földindulásszerű változást hozott Einstein 1915-ben publikált általános relativitáselmélete, amely túllépve a newtoni formalizmuson, a gravitációt mint a téridő görbületét írta le. Egy évre rá Karl Schwarzschild a relativitáselmélet révén vezette le (miközben munkaidőben az orosz fronton harcolt), hogy egy nagy tömegű, ám kis kiterjedésű objektumtól (pl. a saját gravitációja által összehúzódó csillagtól) való elszakadáshoz szükséges (ún. szökési) sebesség mikor érheti el az elméleti sebességhatárt, vagyis a fénysebességet. Ugyanebben a munkájában vezette be az "eseményhorizont" fogalmát: mivel ezen túlról (vagyis a nagy tömegű objektumhoz közelről) már semmi sem tud kiszabadulni, így az ott történő események nincsenek hatással a megfigyelőre (meg úgy egyáltalán semmi másra sem). A gyakorlatban mindezt a távoli megfigyelő úgy érzékelheti, hogy az űr egy szegletéből semmiféle sugárzás nem érkezik, ennélfogva teljesen sötét; ugyanakkor gravitációja révén hat a környezetére és például a körülötte keringő objektumokra.

Egy fekete lyuk környezetének nevezetes határai: az eseményhorizont (R), a foton-sugár (1,5R) és a fekete lyuk "árnyéka" (2,6R). Maga a fekete lyuk tömege az eseményhorizonton belülre koncentrálódik, a relativitáselmélet megoldásai alapján egy pontban, az ún. szingularitásban.

Mivel az egész koncepció inkább csak elméleti fejtegetés szintjén létezett (maga Schwarzschild sem hitt ilyen egzotikus objektumok létezésében), újabb hosszas pangás következett a tudomány ezen szegletében. A '60-as években a fejlődő megfigyelési eszközöknek köszönhetően egyre több jel (pl. az első neutroncsillag felfedezése vagy a Cygnus X-1 röntgenforrás) utalt arra, hogy a csillagok gravitációs összeomlása ténylegesen létrehozhat extrém kompakt objektumokat, más szóval – ahogy John Wheeler, a kutatómunka egyik élharcosa 1967-ben hivatkozott rájuk – fekete lyukakat. Ez az időszak egybeesik a relativitáselmélet aranykorával, amelynek során számos kiemelkedő elméleti szakember vezetett le megoldásokat Einstein munkásságából, egyebek mellett a téridő végtelen görbületére, az ún. gravitációs szingularitásokra vonatkozóan. Ez utóbbi nem más, mint a tömeg létezése egy végtelen kis térrészben – gyakorlatilag a fizika nullával való osztása (habár  a kvantumgravitáció egyesített elmélete elviekben majd feloldhatja ezt a nullával való osztást, ez egyelőre csak távoli álom...). Ekkoriban alkotott nagyot a később az egyetemes tudomány arcává váló Stephen Hawking is, aki már a kezdetektől fogva együtt dolgozott Roger Penrose-zal. Közös munkájuk egyik legfontosabb eredménye, hogy a szingularitások szimmetriától függetlenül természetesen következnek az általános relativitáselméletből – magyarán létezniük kell valahol az Univerzumban, még ha közvetlen megfigyelésük nem is lehetséges, mert az eseményhorizont elrejti azokat.

Stephen Hawking és Roger Penrose. Hawking sosem részesült Nobel-díjban, a fekete lyukakkal kutatásában azonban oly szorosan együttműködött Penrose-zal, hogy idén jó eséllyel ő is a díjazottak közé került volna – a szabályok azonban kizárják a posztumusz jelölést.

A számítógépes modellek és a kvantumfizika fejlődésével a '80-es évekre bizonyítottá vált, hogy a nagy tömegű csillagok életük végén (ún. II-es típusú, kollapszár) szupernóvaként robbannak fel, hátrahagyva az egykori csillagmag gravitációs összeomlásából keletkező neutroncsillagot. Ha azonban a csillag kezdeti tömege meghaladta a 20 naptömeget, a neutroncsillag sem képes ellenállni annak, hogy saját súlya alatt összeroppanjon, ez pedig jelen ismereteink szerint csak egy fekete lyuk keletkezéséhez vezethet. A folyamat eredménye szépen egybevág az egyre-másra felfedezett sztelláris (3-60 naptömegű) fekete lyukakkal, amelyekből mostanra több tucatot ismerünk. Ezeket sokáig csak kettős rendszerekben (a körülöttük keringő csillagok mozgása révén), később pedig röntgenforrások formájában (a fekete lyukba hulló anyag miatt) fedezték fel, míg az utóbbi években a gravitációs hullámok detektálása adott további muníciót a fekete lyukak kutatásának.

A fekete lyuk és annak környezetének részei: a gravitációs centrum felé spirálozódó anyag alkotta akkréciós korong; a mágneses mező révén kifelé gyorsított részecskékből álló relativisztikus jet; a plazma és a fotonok legbelső keringési pályái; a Schwarzschild-féle eseményhorizont; végül mindennek a centrumában a fekete lyuk tömegét rejtő szingularitás. (Kép: NASA/JPL)

A '80-as évek végére már régóta fennálló hipotézis volt, hogy fekete lyukak létezhetnek egy teljesen más méretkategóriában is: százezer vagy akár több millió naptömegű monstrumok, amelyek a galaxisok centrumában lakoznak, és aktívan formálják a központi néhány tucat fényévnyi régiót. A megfigyelési bizonyítékok azonban többnyire hipotetikusak és közvetettek voltak, előrelépést így csak saját galaxisunk, a Tejútrendszer központjának vizsgálatától remélhettünk. Ezt célozta meg az 1992-ben indult a német Reinhard Genzel vezette GRAVITY kollaboráció, amely számos, a rádiótartományon fényes gázfelhő közötti csillagot figyelt meg az Európai Déli Obszervatórium Very Large Telescope-jának segítségével. Alapesetben egy ennyire távoli (26500 fényévre lévő) csillag esetében néhány éves időskálán szinte kimutathatatlan az elmozdulás mértéke – nem úgy a GRAVITY által talált néhány esetben. A kollaboráció már 1998-ban is bizonyítékokat talált arra, hogy a legbelső tartományon legalább kétmillió naptömegnyi anyag zsúfolódik össze. A GRAVITY 2002-ben mutatta be az S2 névre keresztelt csillag nyomon követésének eredményét, amely tizenhat éves periódusidővel ír le egy elnyújtott ellipszist a rejtélyes Sgr A* névre keresztelt rádióforrás körül. A csillag pályája alapján pontosan ki lehetett számítani a központi objektum tömegét, amely négymillió naptömegnek(!) adódott, mindez pedig egy relatíve kicsi, mindössze 0,002 fényév sugarú térrészben koncentrálódik – ez pedig a gravitáció törvényei alapján nem lehet más, mint egy fekete lyuk.

A Tejútrendszer centruma röntgen- és infravörös felvételek kompozitján. A kinagyított részen a szupernagy tömegű fekete lyuk (Sgr A*) 0,5 fényéves környezete látható. A GRAVITY csoport által nyomon követett csillagok mindegyike a (röntgentartományon fényes) kék területen belül bújik meg. (Kép: Q. Daniel Wang (UMASS) et al. /NASA/CXC/STScI)

A GRAVITY-vel párhuzamosan a Keck teleszkóp méréseire alapozva az amerikai Andrea Ghez által vezett rivális kutatócsoport is arra az eredményre jutott, hogy a Sgr A* egy szupernagy tömegű fekete lyuk, ezzel pedig új éra kezdődött az (extra)galaktikus csillagászatban. A korábbi közvetett felfedezéseket immáron konkrét állításokká lehetett transzformálni, a csillagászat jelenlegi állása szerint pedig minden óriásgalaxis centrumában létezik egy óriás fekete lyuk. A Sgr A* környezetének megfigyelése azóta is folyamatosan zajlik, mind Ghez mind pedig Genzel csoportja által. Az egyre hosszabb mérési adatsoroknak és a interferometrikus méréseknek köszönhetően sikerült tovább pontosítani a Galaxis centrumának paramétereit, megerősíteni az általános relativitáselmélet jóslatait, valamint még  az S2-nél is közelebbi (ezáltal minden korábbinál gyorsabban mozgó) csillagot azonosítani a szupernagy tömegű fekete lyuk körül. Természetesen a két csillagmozgásra specializálódott csoporton kívül sokan mások is vizsgálják a Tejútrendszer centrumát, így például az M87 galaxis fekete lyukát megörökítő Event Horizont Telescope kollaboráció is hamarosan elkészül a Sgr A* közvetlen környezetéről készült felvétellel.

Az Andrea Ghez által vezetett kutatócsoport mérései alapján összeállított animáció. A mozgó foltok egy-egy csillagot jelölnek, amelyek pozícióját 1995 óta nyomon követik. (Forrás: Keck/University of California Los Angeles galactic Group)

Érdemes újra és újra emlékeztetnünk magunkat, hogy az idei Nobel-díjakat egy olyan tudományterület úttörő eredményeiért ítélték oda, amelyet rendkívüli módon korlátoznak a fizika törvényei. Mivel nem látunk be az eseményhorizont mögé, így könnyen lehet, hogy a fekete lyuk működése örök rejtély marad (legalábbis amíg elektromágneses hullámok jelentik az elsődleges információforrásunkat). Ám annak ellenére, hogy csak a fekete lyukak külső hatásait és megjelenési formáit tudjuk tanulmányozni, még közel sem állíthatjuk, hogy a tudományterületen már ismerünk minden megismerhetőt. Mindössze a közelmúltban sikerült először igazolni minden kétséget kizáróan egy közepes tömegű fekete lyuk felfedezését (habár létezésükben mindenki biztos volt), amely ráadásul két kisebb fekete lyuk összeolvadásából jött létre. A sztelláris és a szupernagy tömegű fekete lyukak közötti első láncszem azonban önmagában még nem válaszolja meg a fekete lyukak fejlődésének a kérdéseit, ugyanis az időskálákat figyelembe véve valószínűtlen, hogy a szupernagy tömegű fekete lyukak kisebb objektumok összeolvadásából jöttek volna létre.

Illusztráció a fekete lyukak fejlődésének (értsd, tömegnövekedésének) módjairól: a környező anyag elnyeléséről (akkréció), valamint egy másik fekete lyukkal való összeolvadásról. Jelenleg az akkréció a kisebb tömegű objektumok számára releváns, míg a nagyobb tömegűek összeolvadások révén növekednek. A korai Univerzumban azonban lehetséges, hogy ez éppen fordítva történt. (Forrás: M. Weiss)

A válaszokért egészen a fiatal Univerzumig kell visszamenni (visszatekinteni) az időben, amely új generációs megfigyelési eszközöket és elméleteket igényelnek – cserébe viszont egyszer ugyanúgy Nobel-díjjal kecsegtet, mint Penrose, Genzel és Ghez munkássága.

A 2020-as fizikai Nobel-díj bejelentésének hivatalos grafikája. (Kép: Niklas Elmehed)

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.