Paul Davies: Az utolsó három perc

5. FEJEZET

Leszáll az éj


A Tejút százmilliárd csillag fényével ragyog, azonban ezek mindegyike pusztulásra ítéltetett. Tízmilliárd éven belül a legtöbb égitest, amelyet most látunk, már láthatatlanná halványodik, üzemanyag hiányában kimúlik, a termodinamika második főtételének áldozatává válik.

      A Tejútrendszer azonban továbbra is csillagok fényében ragyog, mert miközben a ma létező csillagok elpusztulnak, újabbak születnek és lépnek a helyükbe. A Tejútrendszer spirálkarjaiban, például abban, ahol a Nap is található, a gázfelhők összenyomódnak, a tömegvonzás hatására összeomlanak, darabokra szakadnak és belsejükben megindul a csillagok keletkezésének hulláma. Az Orion csillagképre pillantva szemünk elé tárul az ilyen csillagbölcsők működése. Az Orion kardja közepetáján látható, elmosódott fényfolt nem csillag, hanem gázköd, hatalmas csillagközi gázfelhő, amelybe fiatal csillagok ágyazódnak. A közelmúltban a csillagászok a látható fény helyett az Orion irányából érkező infravörös sugárzást figyelték meg. Így sikerült néhány, fejlődésük nagyon korai állapotában lévő, szinte újszülött csillagot találniuk, amelyeket még körülfog a csillagokat eltakaró gáz és por.

      A csillagok keletkezése a Tejútrendszer spirálkarjaiban egészen addig folytatódik, ameddig elegendő gáz áll rendelkezésre. A galaxisok gáztartalma részben ősi eredetű, vagyis abból az anyagból áll, amely még soha nem tömörült össze csillagokká, másrészt a csillagok által szupernóvarobbanás során, csillagszél formájában, kisebb, robbanásszerű jelenségekben vagy más folyamatok során kidobott gázból áll. Nyilvánvaló, hogy a csillagok által kidobott anyag újrahasznosítása nem mehet végtelenségig. Amikor az elpusztuló csillag fehér törpévé, neutroncsillaggá vagy fekete lyukká válik, akkor anyaguknak ez a része már nem tudja ismét a csillagközi gázanyagot gyarapítani. Lassanként az ősi anyag mind nagyobb része esik csillagok gravitációjának rabságába, míg végül teljesen elfogy. Amikor a csillagok utolsó generációi is leélik életüket, a Tejútrendszer feltartóztathatatlanul elhalványodik.[1] A folyamat némileg késleltethető. Sok milliárd évnek kell eltelnie addig, mire a legkisebb és legfiatalabb csillagok is elfogyasztják nukleáris üzemanyagukat és fehér törpévé zsugorodnak. Az utolsó felvonás lassú haláltusáját követően azonban menthetetlenül leszáll az örök éjszaka.

      Hasonló sors vár a tér egyre táguló mélységében szétszórt összes többi galaxisra is. A Világegyetem, amely jelenleg az atommagok átalakításából származó energiának köszönhetően világít, végső soron kimeríti ezt az értékes energiaforrást. A fény korszaka örökre véget ér.

      A kozmosz fényei kialszanak ugyan, ezzel azonban még nem fejeződik be a Világegyetem története, mert létezik egy másik, még az atommag-reakcióknál is nagyobb teljesítményű energiaforrás. A gravitáció, a természet atomi szinten leggyengébb kölcsönhatása, csillagászati méretekben uralkodóvá válik. Hatása viszonylag szelíd, de rendkívül tartós. A csillagok évmilliárdokon keresztül azért termelik az energiát, hogy ellenálljanak a gravitáció mindent összeroppantó hatásának. A gravitáció azonban türelmes és kivárja, amíg eljön az ő ideje.

      Az atommag két protonja között ható gravitációs vonzás csupán tízbilliomod-billiomod-billiomod (10-37) része a köztük fellépő erős nukleáris kölcsönhatásnak. A gravitációs hatás azonban összegeződik. A csillagot alkotó minden további proton csekély járulékot ad a csillag össztömegéhez. Végül a tömeg akkora lesz, hogy a gravitáció diadalmaskodik. Ez a mindent legyőző erő a kulcs a természet további, óriási energiatartalékainak felszabadításához.

      Nincs még egy objektum, amelyik oly szemléletesen igazolná a gravitáció erejét, mint a fekete lyuk. Itt a gravitáció kiütéses győzelmet arat, az elpusztuló csillagnak írmagja sem marad, csak a környező téridőben marad meg az idő végtelen torzulás formájában az események lenyomata. A fekete lyukakkal kapcsolatban érdemes elvégeznünk egy izgalmas gondolatkísérletet. Képzeljük el, hogy egy kicsiny testet, mondjuk egy biliárdgolyót végtelen távolról beleejtünk egy fekete lyukba. A lyukban a szemünk elől eltűnő golyó visszahozhatatlanul elvész a számunkra. Egykori létezésének nyomát azonban otthagyja a lyukon, amely egy hajszálnyival nagyobb lesz azáltal, hogy elnyelte a golyót. A számítások szerint, ha a golyót nagyon nagy távolságból ejtettük a fekete lyukba, akkor a lyuk tömege pontosan annyival nő meg, mint amekkora a golyó tömege volt. Sem energia, sem tömeg nem szabadul ki a rendszerből.

5.1. ábra: Ebben az idealizált gondolatkísérletben a egy kötél végére erősített testet egy rögzített csigán átvetett kötélen (a rögzítés itt nem látható) lassan eresztünk egy fekete lyuk felszíne felé. Ennek eredményeképpen a leereszkedő súly munkát végez és energiát ad át a doboznak. Ha a test megközelíti a fekete lyuk felszínét, akkor az átadott energia teljes mennyisége megközelíti a leereszkedő test nyugalmi tömegével egyenértékű energiát.

Végezzünk most el egy másik kísérletet is, amelyben a golyót csak lassan engedjük a fekete lyuk felé közeledni. Ezt úgy valósíthatjuk meg, hogy a golyóra egy kötelet kötünk, amelynek másik végét egy csigán keresztülvetve egy dobra tekerjük, amely lassan engedi a kötelet letekeredni (lásd az 5.1. ábrát. Feltételezem, hogy a kötél súlytalan és egyáltalán nem nyúli meg, ami ugyan csupán a fantáziám szülte ideális helyzet, de legalább a gondolatmenetet nem bonyolítja el fölöslegesen.) Miközben a golyót a fekete lyuk felé engedjük, az energiát termelhet, például oly módon, hogy a dobhoz egy elektromos generátort kapcsolunk. Minél közelebb kerül a biliárdgolyó a fekete lyukhoz, annál erősebb gravitációs erőt fejt ki rá a lyuk. Ennek megfelelően súlya egyre nagyobb lesz, így egyre több munkát képes végezni a generátoron. Egyszerűen kiszámítható, hogy mennyi energiát termel összesen a biliárdgolyó, mire eléri a fekete lyuk felszínét. Kiderül, hogy ideális esetben pontosan annyit, mint amennyi a golyó teljes nyugalmi tömegével egyenértékű energia. (A nyugalmi tömeg fogalmát a 47. oldalon magyaráztuk meg.)

      Emlékezzünk vissza Einstein nevezetes E = mc2 összefüggésére, amely azt állítja, hogy bármely m tömeg egyenértékű mc2 energiával. Egy fekete lyuk segítségét igénybe véve tehát elvben tekintélyes mennyiségű energiához juthatunk. A 100 gramm tömegű biliárdgolyó esetében ez az energiamennyiség körülbelül egymilliárd kilowattórát jelent. Összehasonlításképpen érdemes megjegyezni, hogy amikor a Nap 100 gramm hidrogént héliummá alakít, akkor ennek az energiamennyiségnek nem egészen egy százalékát állítja elő. Ez tehát azt jelenti, hogy - elvben legalábbis - a gravitációs energia-felszabadítás több, mint százszor olyan hatékony lehet, mint a csillagok energiatermelését biztosító termonukleáris reakciók.

      Természetesen a fentebb leírt két kitalált helyzet a valóságtól teljesen elrugaszkodottnak tekinthető. A különféle testek kétségtelenül folyamatosan esnek a fekete lyukakba, de az is egészen bizonyos, hogy soha nincsenek a maximális energiahasznosítás érdekében csigákra függesztve. A gyakorlatban a felszabadítható energia valamilyen nulla és száz százalék közötti része az, ami felszabadul. A tényleges részarány a konkrét fizikai körülményektől függ. Az elmúlt néhány évtizedben az asztrofizikusok a legkülönbözőbb számítógépes szimulációkat és matematikai modelleket vizsgálták meg annak érdekében, hogy megpróbálják megérteni a fekete lyuk felé örvénylő gáz viselkedését és megbecsüljék az eközben felszabaduló energia mennyiségét és formáját. A szóban forgó fizikai folyamato rendkívül összetettek, mindamellett az legalább nyilvánvaló, hogy az efféle rendszerekből óriási mennyiségű gravitációs energia szabadul ki.

      Egyetlen megfigyelés többet ér, mint számítások ezrei, ezért a csillagászok lázasan kerestek olyan objektumokat, amelyek az "anyaggyűjtés" szakaszában lévő fekete lyukak lehetnek. Bár tökéletesen meggyőző feketelyuk-jelöltet eddig még nem sikerült felfedezni, egy nagyon sokat ígérő rendszert már találtak a Hattyú csillagképben, amely a Cygnus X-1 nevet viseli. Optikai távcsővel a színe alapján a kék óriások közé sorolt nagy és forró csillagot látunk. A csillag színképének tüzetes vizsgálata elárulja, hogy a kék óriás nem magányos égitest, periodikusan ide-oda táncoló mozgása ugyanis azt jelzi, hogy egy közeli égitest erős gravitációs vonzása rángatja. Nyilvánvalóan a csillag és az ismeretlen égitest egymáshoz közel, egymás körül keringenek. Optikai távcsövekkel vizsgálva a rendszert azonban nyomát sem találjuk a kísérőcsillagnak, az tehát vagy fekete lyuk, vagy pedig nagyon halvány és kompakt csillag. A megfigyelések tehát arra utalnak, hogy feltételezhetően fekete lyukkal van dolgunk, azonban a bizonyítékok még nem sziklaszilárdak.

      További támpontot adhat a sötét test tömegének megbecslése. A tömeget Newton törvényeiből lehet levezetni, feltéve, hogy ismerjük a kék csillag tömegét. Arra viszont a csillagok tömege és színe között fennálló összefüggés alapján tudunk következtetni: a kék csillagok forróak, ezért nagy a tömegük. A számítások eredménye szerint a kísérő csillag tömege jónéhány naptömeg. Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben nem lehet szó egy közönséges, de kicsi és halvány csillagról, hanem csakis egy nagy tömegű, összeomlott csillagról, azaz fehér törpéről, neutroncsillagról vagy fekete lyukról. Alapvető fizikai okok miatt azonban az ilyen nagy tömegű kompakt égitest nem lehet sem fehér törpe, sem pedig neutroncsillag. A problémát az a roppant erős gravitációs tér okozza, amely megpróbálja összeroppantani az égitestet. A fekete lyukká való teljes mértékű összeomlás csak abban az esetben kerülhető el, ha létezik valamiféle belső nyomás, amelyik képes ellenállni a mindent összeroppantani akaró gravitációnak. Ha azonban az összeomlott égitest tömege a Nap tömegének sokszorosa, akkor nem létezik olyan erő, amely az anyag mindenre ránehezedő súlyának ellent tudna állni. Ha az égitest magja elég merev lenne ahhoz, hogy ne roppanjon össze, akkor anyagában a hang sebességének meg kellene haladni a fénysebességet. Minthogy azonban ez ellentmondana az általános relativitáselméletnek, ezért a legtöbb fizikus úgy véli, hogy ilyen körülmények közt elkerülhetetlen a fekete lyuk kialakulása.

      A perdöntő bizonyíték arra nézve, hogy a Cygnus X-1 minden bizonnyal fekete lyukat tartalmaz, egy egészen más megfigyelésből származik. A rendszer azért kapta az X-1 jelölést, mert erős röntgenforrás,[2] amint azt a műholdak fedélzetéről végzett röntgencsillagászati megfigyelések kimutatták. Az elméleti modellek meggyőző magyarázatot szolgáltatnak a röntgensugárzás eredetére nézve, azon feltételezés alapján, hogy a Cygnus X-1 sötét kísérője fekete lyuk. A számítások szerint a fekete lyuk gravitációs tere elegendően erős ahhoz, hogy anyagot szívjon el a kék óriáscsillagból. A fekete lyuk irányába utolsó útjukra induló elrabolt gáztömegek a rendszer keringése következtében örvényleni kezdenek, és gázkorongot alkotnak a fekete lyuk körül. Egy ilyen gázkorong nem lehet teljesen stabil képződmény, mert a belső pereménél, a fekete lyukhoz közelebb lévő gáz gyorsabban mozog, mint a korong szélén lévő anyag. Eközben viszont a gáz belső súrlódása igyekszik kiegyenlíteni a differenciális rotációból (azaz az eltérő szögsebességű keringésből) adódó sebességkülönbségeket. Ennek eredményeképpen a gáz eléggé felforrósodik ahhoz, hogy ne fényt, hanem röntgensugárzást bocsásson ki. Az energia kisugárzása következtében csökken a rendszer pályamenti mozgásának energiája, ezért a gáz spirális pályán haladva fokozatosan a fekete lyukba hull.

      A Cygnus X-1-ben a fekete lyuk létezése mellett szóló bizonyíték tehát az érvek hosszú láncolatán alapul, mely érvek közt megfigyelési eredmények éppúgy találhatók, mint elméleti modellek. Mindez általában is jellemzőnek mondható napjaink csillagászati kutatására. Nem lehet egyetlen ténnyel bizonyítani feltevésünket, hanem csak a Cygnus X-1 és a más, hasonló rendszerek vizsgálata alapján felsorakoztatott tények összessége sugallja azt, hogy a rendszerben minden bizonnyal jelen van egy fekete lyuk. Természetesen a megfigyelési eredményeket fekete lyuk jelenlétének feltételezésével lehet a legegyszerűbben és a legellentmondásmentesebben megmagyarázni.

      A nagyobb fekete lyukak esetében még látványosabb jelenségekre is számíthatunk. Valószínűnek látszik, hogy számos galaxis magjában szupernagy tömegű fekete lyuk rejtőzik. Erre az illető galaxisok magja közelében elhelyezkedő csillagok vártnál gyorsabb mozgása utal. A csillagok szokatlanul gyors mozgásából arra lehet következtetni, hogy valamilyen nagyon kompakt objektum roppant erejű gravitációs tere készteti őket erre a mozgásra. A becslések szerint az ilyen objektumok tömege a Napénak tízmilliószorosa és egymillárdszorosa közé eshet, így nem csoda, hogy kielégíthetetlen étvággyal pusztítják a környezetükben található anyagot. Csillagok, bolygók, gáz és por egyaránt áldozatául esik ezeknek a szörnyeknek. Egyes esetekben az anyag oly hevesen hull a fekete lyukba, hogy ez a folyamat az egész galaxis szerkezetét megbolygatja. A csillagászok jól ismerik az aktív galaxismagok számos típusát. Egyes galaxisok szó szerint úgy néznek ki, mintha felrobbannának, sok közülük erős rádió- vagy röntgensugárzást bocsát ki. Legjellegzetesebbek azok a galaxisok, amelyek óriási gáznyúlványokat lövellnek ki magukból, melyek hossza akár a sok ezer vagy néhány millió fényévet is elérheti. Egyes ilyen objektumok energiasugárzása elképesztő mértékű. Ilyenek például a nagyon távoli kvazárok, melyek neve a csillagszerű rádióforrás angol elnevezésének - quasistellar radio source - rövidítéséből ered. A kvazárok annyi energiát sugároznak ki, mint a közönséges galaxisok ezrei, ráadásul mindezt egy legfeljebb egy fényév átmérőjű térfogatból, aminek köszönhetően messziről valóban csillagszerű látványt nyújtanak.

      Sok csillagász úgy véli, hogy ezeknek az alaposan szétzilált objektumoknak a központi energiaforrása egy-egy óriási, forgó fekete lyuk, amely folyamatosan elnyeli a környezetében található anyagot. A fekete lyukat megközelítő csillagokat az iszonyú erejű gravitációs tér minden bizonnyal egyszerűen széttépi, de az sincs kizárva, hogy a csillag sorsát a közelébe sodródó más csillagokkal való összeütközés pecsételi meg. Akárcsak a Cygnus X-1 esetében, csak sokkal nagyobb léptékben, a szétoszlott anyagtörmelék forró korongot alkotva kering a feket lyuk körül, miközben folyamatosan elmerül annak mélyén. Az ezzel egyidőben felszabaduló irdatlan mennyiségű gravitációs energia a lyuk forgástengelye mentén összpontosul, aminek eredményeképpen két, ellentétes irányú gázkilövellés jön létre. Az energia-felszabadulás mechanizmusa és a gáznyúlványok kialakulása valószínűleg rendkívül összetett folyamat eredménye, amelyben a gravitáción kívül az elektromágneses erők és a belső súrlódás is szerephez jut. A folyamatok pontos tisztázása a jövőben is sok munkát fog adni az elméleti asztrofizikusoknak és a megfigyelő csillagászoknak egyaránt.

      Mi a helyzet a Tejútrendszer esetében? Elképzelhető, hogy egyszer majd a mi galaxisunk is ugyanilyen sorsra jut? A Tejútrendszer középpontja tőlünk harmincezer fényév távolságban, a Nyilas csillagkép irányában látható. Legbelső vidékeit hatalmas gáz- és porfelhők takarják el a szemünk elől, rádiótávcsövekkel, valamint röntgen-, gamma- és infravörös detektorokkal azonban a csillagászok kimutatták a Sagittarius A*-nak nevezett, nagyon kompakt, nagy energiájú objektum létezését. A Sagittarius A* átmérője legfeljebb néhány milliárd kilométer, azaz csillagászati értelemben meglehetősen kis objektumról van szó, mégis ez a Tejútrendszer legerősebb rádióforrása. Helye pontosan egybeesik egy nagyon fényes infravörös forrással, ezen kívül a közelében egy szokatlan röntgensugárzó objektum is található. Bár a helyzet elég bonyolult, egyre valószínűbbnek tűnik, hogy a Tejútrendszer közepén legalább egy fekete lyuk található, és ez felelős a megfigyelt jelenségekért. A lyuk tömege azonban legfeljebb tíz millió naptömeg lehet, ami azt jelenti, hogy a szupernagy tömegű fekete lyukak mezőnyében meglehetősen hátul kullog. Nincs bizonyítékunk arra, hogy itt is végbemenne az a heves anyagkidobás és energia-kisugárzás, amely néhány más galaxis magja környékén megfigyelhető. Ennek azonban esetleg az lehet az oka, hogy a Tejútrendszer fekete lyuka most éppen nyugalmi állapotában pihen.[3] Ez esetben nincs kizárva, hogy majd valamikor a jövőben fellángol, talán akkor, amikor nagyobb mennyiségű gázutánpótláshoz jut, bár működése valószínűleg akkor sem lesz olyan pusztító hatású, mint ahogy az jónéhány más galaxisban megfigyelhető. Ma még tisztázatlan, hogy milyen hatást gyakorolna a fekete lyuk működésének ilyesfajta felelevenedése a Tejútrendszer spirálkarjaiban lévő csillagokra és bolygókra.

      A fekete lyuk mindaddig folytatja az áldozatául eső anyag nyugalmi tömegének energiává történő alakítását, amíg a táplálásához elegendő anyag található a környezetében. Az idő múlásával a fekete lyuk egyre több anyagot nyel el, aminek következtében egyre nagyobbra hízik, de ugyanakkor egyre éhesebb is lesz. Lassanként már a fekete lyuktól távol keringő csillagok életét is veszélyezteti iszonyú ereje. Ennek egy rendkívül gyenge, de végső soron mégis döntő jelentőségűvé váló jelenség az oka, az úgynevezett gravitációs sugárzás.

      Nem sokkal azután, hogy 1916-ban megfogalmazta az általános relativitáselméletet, Einstein felfedezte a gravitációs tér egy figyelemreméltó tulajdonságát. Az elmélet téregyenleteinek tanulmányozása alapján Einstein megállapította, hogy azok megjósolják valamiféle, hullámszerűen terjedő, gravitációs oszcillációk létezését, melyek a világűrben a fény sebességével terjednek. Ez a gravitációs sugárzás bizonyos tulajdonságait tekintve az elektromágneses sugárzásra, például a fényre vagy a rádióhullámokra emlékeztet. A gravitációs hullámok azonban leginkább abban különböznek az elektromágneses sugárzástól, hogy bár sok energiát szállítanak, az anyaggal való kölcsönhatásuk nagyon gyenge. Míg a rádióhullámokat viszonylag egyszerű szerkezetekkel, például egy dróthálóval felfoghatjuk, addig a gravitációs hullámok kölcsönhatása oly gyenge, hogy gyakorlatilag gyengülés nélkül képesek keresztülhaladni az egész földgolyón. Ha építenénk egy gravitációs lézert, akkor egybillió kilowattos nyalábra lenne szükségünk ahhoz, hogy ugyanolyan eredményesen forraljunk fel egy kanna vizet, mint egy egy kilowattos elektromos fűtőszállal. A gravitációs hullámok viszonylagos gyengesége azzal áll kapcsolatban, hogy a gravitáció messze a leggyengébb természeti kölcsönhatás. Az atomok belsejében például a gravitációs és az elektromos erők aránya 10-40. Az egyetlen ok, aminek köszönhetően a gravitációt mégis érzékelni tudjuk, az, hogy hatása összegeződik, így a nagy égitestek, mondjuk a bolygók, esetében jelentős lehet.

      A gravitációs hullámoknak nem csak a hatása roppant gyenge, de keletkezésük is meglehetősen bágyadt folyamat. Elméletileg gravitációs sugárzás keletkezik minden olyan esetben, amikor valami megzavarja a tömegeket. A Föld Nap körüli keringése például folyamatosan gravitációs hullámok kisugárzásával jár, a teljes energia-kibocsátás azonban csupán milliwattnyi. Az energia ilyen formában történő elszivárgása következtében a Föld pályája zsugorodik, azonban nevetségesen csekély mértékben: évtizedenként egy trilliomod centiméterrel.

      Merőben más azonban a helyzet, amikor nagyméretű égitestek a fényét megközelítő sebességgel mozognak. Két olyan jelenséget ismerünk, amelyek minden bizonnyal számottevő energiájú gravitációs hullámok kibocsátásával járnak. Az egyik egy hirtelen bekövetkező, heves esemény, a szupernóvarobbanás, vagyis az a folyamat, amikor egy csillag fekete lyukká omlik össze. A szupernóvarobbanást a gravitációs hullámok rövid ideig tartó, lökésszerű kibocsátása kíséri. A kisugárzás néhány milliomod másodperce alatt a gravitációs hullámok 1044 joule energiát szállítanak el a rendszerből. (Hasonlítsuk össze ezt a számot a Nap sugárzó teljesítményével, ami körülbelül 3 X 1026 joule másodpercenként.) A másik folyamat a nagy tömegű égitestek egymás körüli nagy sebességű keringése. Egy szoros kettőscsillag rendszer például állandóan erős gravitációs hullámokat bocsát ki. Ez a folyamat különösen abban az esetben hatékony, ha az egymás körül keringő égitestek egyike valamilyen kompakt objektum, például neutroncsillag vagy fekete lyuk. A Sas csillagképben például két neutroncsillag kering egymás körül, mindössze néhány millió kilométerre egymástól. Gravitációs terük olyan erős, hogy nyolc óránként körberohanják egymást, ami azt jelenti, hogy pályamenti sebességük a fénysebesség számottevő hányada. Ez a szokatlanul gyors mozgás gravitációs hullámok erős kibocsátásával jár, aminek következtében a pálya zsugorodása is jelentékenyebb (a keringési idő évente[4] mintegy 75 milliomod másodperccel változik). A gravitációs hullámok formájában történő energiaveszteség következtében a két égitest spirális pályán mozogva egyre közelebb kerül egymáshoz. Háromszáz millió év múlva elkerülhetetlenül összeütköznek.

      A csillagászok becslése szerint az ehhez hasonló rendszerek tagjainak összeolvadása százezer évenként és galaxisonként egyszer fordul csak elő. Az égitestek oly parányira összezsugorodottak és gravitációs terük oly erős, hogy az összeütközésük előtti utolsó pillanatokban másodpercenként néhány ezerszer körbeszáguldják egymást, aminek következtében a kibocsátott gravitációs hullámok frekvenciája jellegzetes ciripelés formájában hirtelen megnő. Einstein képletei alapján megállapítható, hogy ebben az utolsó szakaszban a gravitációs hullámok teljesítménye elképesztően nagy lesz, a pálya pedig hirtelen összeomlik. A kölcsönös gravitációs vonzás a felismerhetetlenségig torzítja a csillagok alakját, ezért az összeütközés pillanatában inkább hatalmas, egymás körül örvénylő szivarokra hasonlítanak, mintsem a megszokott értelemben vett csillagokra. Végső egybeolvadásuk elég zűrös ügy, a két csillag bonyolult, őrülten háborgó tömeggé egyesül, amely bőségesen bocsát ki gravitációs hullámokat, egészen addig, amíg nagyjából gömbszimmetrikus alakot vesz fel, miközben gigantikus harangként különböző rezgési képek szerint rezeg és imbolyog. Ezek az oszcillációk ugyancsak bizonyos mértékű gravitációs sugárzással járnak, ami további energiát von el az égitesttől, mindaddig, amíg az lecsillapodik és végül teljesen megnyugszik.

      Bár az energiavesztés sebessége viszonylag alacsony, a gravitációs hullámok kibocsátása mélyreható, hosszútávú hatással van az egész Világegyetem szerkezetére. Ezért fontos az, hogy a tudósok megpróbálják megfigyelésekkel ellenőrizni a gravitációs hullámokat leíró elméleteik helyességét. A Sas csillagképben található kettős neutroncsillag rendszer tanulmányozásából arra következtethetünk, hogy a pálya zsugorodása pontosan Einstein elmélete által megjósolt ütemben megy végbe.[5] Így tehát ez a rendszer közvetlen bizonyítékot szolgáltat a gravitációs sugárzás kibocsátása mellett. Még ennél is döntőbb megfigyelés lenne, ha sikerülne földi laboratóriumban gravitációs hullámokat észlelni. Sok kutatócsoport tagjai építettek már az áthaladó gravitációs hullámok kimutatására különféle berendezéseket, azonban mindezidáig egyik kísérleti eszköz érzékenysége sem volt elég a hullámok felfogásához. Valószínű, hogy csak a detektorok új nemzedékének kifejlesztése után lehet reményünk a gravitációs hullámok létezésének közvetlen kísérleti igazolására.[6]

      Két neutroncsillag egybeolvadásának eredményeképpen vagy egy nagyobb neutroncsillag, vagy egy fekete lyuk keletkezhet Egy neutroncsillag és egy fekete lyuk, illetve két fekete lyuk összeolvadásából szükségszerűen egyetlen fekete lyuk lesz. Ezt a folyamatot a kettős neutroncsillag eseténél bemutatotthoz hasonlóan gravitációs hullámok formájában történő energiavesztés kíséri, majd bonyolult rezgések és imbolygó mozgások kísérik, amelyeket a gravitációs energiaveszteség lassacskán lecsillapít.

      Érdekes megvizsgálni, hogy elméletileg mi lehet a felső határa annak az energiamennyiségnek, amely két fekete lyuk egybeolvadásának folyamatából kinyerhető. E folyamatok elméletét Roger Penrose, Stephen Hawking, Brandon Carter, Remo Ruffini, Larry Smarr és mások az 1970-es évek elején dolgozták ki. Ha a fekete lyukak egyike sem forog és tömegük ugyanakkora, akkor a teljes nyugalmi tömegüknek megfelelő energia 29 százaléka felszabadítható. Ez az energiamennyiség nem feltétlenül gravitációs hullámok energiájává alakul, ha ugyanis a fekete lyukakat valamilyen ma még nem létező, fejlett műszaki eljárással befolyásoljuk, más energiafajtát is kaphatunk. A természetben azonban az egyesüléskor felszabaduló energia legnagyobb része a gyakorlatilag hasznavehetetlen gravitációs hullámok formájában hagyja el a rendszert. Ha a fekete lyukak a fizika törvényei által megengedett legnagyobb sebességgel forognak (vagyis kerületi sebességük nagyjából a fénysebesség) és forgási tengelyeik mentén, ellentétes forgásiránnyal egyesülnek, akkor a tömeg energia-egyenértékének 50 százaléka sugárzódhat ki.

      Ez a tekintélyes hányad sem jelenti azonban még az elméleti maximumot. Elképzelhető ugyanis, hogy valamely fekete lyuk elektromos töltést hordoz. Az elektromos töltésű fekete lyuknak gravitációs terén kívül elektromos tere is van, melyek mindegyike tárolhat energiát. Ha egy pozitív töltésű fekete lyuk negatív töltésű társával olvad össze, akkor a folyamat során hatalmas elektromos kisülés is bekövetkezik, így nem csak gravitációs, hanem elektromágneses energia is felszabadul.

      Az ilyenkor bekövetkező elektromos kisülés nagyságának az szab határt, hogy adott tömegű fekete lyuk nem képes korlátlan nagyságú elektromos töltést hordozni. Nem forgó fekete lyuk esetében a töltés nagyságának felső határát a következő meggondolással állapíthatjuk meg. Képzeljük el, hogy két azonos fekete lyuknak ugyanakkora (nagyságú és előjelű) az elektromos töltése. Gravitációs tereik vonzóerőt keltenek közöttük, az elektromos terek viszont taszítóerőt ébresztenek (mert az azonos töltések taszítják egymást). Amikor a töltés/tömeg arány elér egy kritikus értéket, akkor ez a két ellentétes irányú erő pontosan egyensúlyt tart egymással, ezért a két fekete lyuk között egyáltalán nem hat erő. Ez a feltétel jelenti a fekete lyuk által hordozott elektromos töltés felső határát. Kíváncsiak lehetünk arra, mi történhet, ha megpróbáljuk a fekete lyuk töltését ezen maximális érték fölé növelni. Erre az egyik lehetőség az, hogy további töltéseket kényszerítünk a fekete lyukba. Ez a folyamat valóban megnöveli ugyan a lyuk elektromos töltését, azonban a lyuk által a töltésre kifejtett taszítóerő ellenében munkát kell végeznünk, amely energia átadódik a fekete lyuknak. Minthogy az energia egyenértékű a tömeggel (emlékezzünk csak az E = mc2 összefüggésre), a fekete lyuk tömege nagyobb lesz, ezért mérete is nő. Egyszerű számítással meggyőződhetünk róla, hogy a folyamat során a tömeg nagyobb mértékben nőtt, mint a töltés, ezért a töltés/tömeg arány (amelyet eredetileg növelni szerettünk volna) ténylegesen csökkenni fog. Nem sikerült tehát átlépnünk a bűvös korlátot.

      A töltött fekete lyuk elektromos tere hozzájárul a lyuk össztömegéhez. Abban az esetben, ha valamely fekete lyuk a megengedett maximális elektromos töltést hordozza, akkor az elektromos tér a tömeg felét teszi ki. Ha két nem forgó fekete lyuk mindegyike a lehetséges maximális elektromos töltést hordozza, de a töltések ellentétes előjelűek, akkor a lyukak közt a gravitációs erőn kívül az elektromágneses kölcsönhatás is vonzó jellegű. Ha ez a két fekete lyuk eggyé válik, akkor töltéseik semlegesítik egymást, az elektromos energia pedig kivonható a rendszerből. Elméletileg a rendszerből kivonható energia mennyisége elérheti a rendszer teljes tömegével egyenértékű energia 50 százalékát.

      Az energiakinyerés abszolút felső határát abban az esetben kapjuk, ha mindkét fekete lyuk forog és mindkettő a lehetséges maximális nagyságú, de ellentétes előjelű töltést hordozza. Ebben az esetben a teljes nyugalmi tömeggel egyenértékű energia kétharmada felszabadítható. Természetesen ezek a számok inkább csak elméleti szempontból érdekesek, mivel gyakorlatilag valószínűtlen, hogy a fekete lyukak nagy elektromos töltést hordozzanak. Ugyancsak valószínűtlen, hogy két fekete lyuk éppen az optimális módon találkozzék egymással, kivéve azt az esetet, ha valamilyen igen fejlett műszaki kultúrájú társadalom kifejezetten nem kényszeríti őket erre. Két fekete lyuk találkozásakor azonban még a kevéssé hatékony egyesülés is a találkozásban részt vevő objektumok nyugalmi tömegével egyenértékű energia számottevő részének majdnem pillanatszerű felszabadulását eredményezi. Ezt az energiamennyiséget összehasonlíthatjuk a nyugalmi tömeg energia-egyenértékének csekély, mindössze egyetlen százalékát kitevő energiával, amelyet a csillagok évmilliárdokig tartó életük során a fúziós reakciónak köszönhetően kisugároznak.

      Ezen gravitációs folyamatok jelentősége abban áll, hogy az életük végén járó, kiégett csillagok összeomlott salaktömbként sokkal több energiát tudnak még kibocsátani, mint korábban, izzó gázgömbként a termonukleáris reakciók révén. Ezt a tényt mintegy húsz évvel ezelőtt John Wheeler, amerikai fizikus ismerte fel. (Eredetileg egyébként tőle származik a "fekete lyuk" elnevezés is.) Ennek alapján Wheeler elképzelt egy olyan civilizációt, amelyik energiaszükségleteit úgy elégíti ki, hogy elhagyja saját csillagát és egy forgó fekete lyuk környezetében települ le. A társadalom hulladékait nap mint nap kozmikus teherautókba csomagolják, és gondosan megtervezett pályán a lyuk felé küldik. A lyuk közelében a teherautók tartalmát kiürítik, a hulladékot a lyuk belseje felé irányítják, és ezáltal hasznosítják. A befelé hulló anyag a lyuk forgásával ellentétes irányban keringve némileg fékezi a lyuk forgását. Ezáltal a lyuk forgási energiájának egy része felszabadul, amit a civilizáció ipari szükségletei kielégítésére tud fordítani. A folyamatnak így kétszeres haszna van, mert egyrészt a civilizáció megszabadul a fölösleges melléktermékektől, másrészt a folyamat révén tiszta energiát tud nyerni. Ily módon a halott csillagból sokkal több energiát tudnak kinyerni, mint amennyit bármely csillag fénylő korszakában kibocsát.

      Bár a fekete lyuk energiájának hasznosítása egyelőre a tudományos fantasztikus irodalom lapjaira kívánkozik, tény, hogy Világegyetem anyagának jó része természetes folyamatok eredményeképpen is fekete lyukak mélyén végzi. A kozmikus süllyesztőben nem csak a szupernóvarobbanásban fekete lyukká váló csillag anyagának jelentős része tűnik el, hanem a későbbi véletlen találkozások során, menetközben összegyűjtött anyag egy része is. Amikor a fekete lyukakról tartok előadásokat, a hallgatók gyakran megkérdezik, hogy mi történik, ha valami belekerül a fekete lyukba. A kérdésre a rövid és őszinte válasz az, hogy nem tudjuk. A fekete lyukakra vonatkozó ismereteink csaknem teljes egészében elméleti számításokon és matematikai modelleken alapulnak. Magától értetődő, és a fekete lyuk meghatározásából következik, hogy kívülről semmilyen módon nem tudjuk a lyuk belsejét szemügyre venni. Így a belsejében lezajló folyamatokról még akkor sem tudhatnánk meg semmit, ha legalább arra lenne lehetőségünk, hogy kívülről megfigyeljünk egy fekete lyukat (a valóságban persze erre sincs módunk). Mindamellett a fekete lyukak létezését elsőként megjósoló relativitáselméletet annak kiszámítására is felhasználhatjuk, hogy mi történne egy fekete lyukba belezuhanó űrhajóssal. A most következő leírás tehát ezeken az elméleti megfontolásokon alapul.

      A fekete lyuk felszíne csupán matematikai konstrukció, semmiképpen nem találunk ott valamiféle hártyát, csak az üres teret. Így tehát a lyuk felé közeledő űrhajós még akkor sem vesz észre semmi különöset, amikor átlépi annak határát.[7] A lyuk matematikailag definiált felszínének mégis rendkívüli fizikai jelentősége van. A lyuk belsejében a tömegvonzás olyan erős, hogy még a fényt is csapdába ejti, mivel a kifelé haladó fotonokat szemléletesen szólva visszarántja. Ez azt jelenti, hogy a fény nem tudja elhagyni a fekete lyukat, az éppen emiatt látszik feketének a kívülálló számára. Minthogy semmiféle fizikailag létező tárgy vagy információ nem haladhat a fénynél sebesebben, a fekete lyukat nem hagyhatja el semmi, ami egyszer már átlépte a határát. A lyuk határain belül lejátszódó események örökre rejtve maradnak a külső megfigyelők szeme elől. Emiatt a fekete lyuk határfelületét "eseményhorizont"-nak is szokás nevezni, minthogy éles határvonalat jelent a rajta kívül történő és a távoli megfigyelők által is észlelhető események, illetve a lyuk belsejének kívülálló számára láthatatlan történései között. Az eseményhorizont működése azonban egyirányú. Az eseményhorizonton belül tartózkodó űrhajós továbbra is jól látja a fekete lyukon kívüli világot, annak ellenére, hogy őt kívülről senki sem láthatja.

      Ahogy az űrhajós egyre mélyebbre merül a lyuk belsejébe, úgy erősödik a gravitációs tér. Ennek egyik következménye testének eltorzulása lesz. Ha az űrhajós lábával előre közeledik a lyuk belseje felé, akkor lábai közelebb lesznek a lyuk középpontjához, mint a feje, így a lábaira nagyobb gravitációs erő hat. Ennek következtében a lábait nagyobb erő húzza a lyuk belseje felé, mint a fejét, így teste hosszanti irányban megnyúlik. Vállai ugyanakkor egymáshoz közeledő útvonalon akarják megközelíteni a lyuk közepét, ezért az űrhajós teste oldalirányban összenyomódik. A test hosszanti megnyúlását és oldalirányú összepréselődését tréfásan "spagettizálódás"-nak is szokták nevezni.

      Az elmélet szerint a fekete lyuk középpontjában a gravitáció minden határon túl nő. Minthogy a gravitációs tér a téridő görbületeként jelenik meg, ezért a gravitációs tér erősségének határtalan növekedése együtt jár a téridő görbületének minden határon túl való növekedésével. A matematikusok ezt a jelenséget a téridő szingularitásának nevezik. Ez tulajdonképpen a tér és az idő olyan határát, "szélét" jelenti, amelyen túl a téridő közönséges fogalma nem folytatható, nem tartható fenn. Sok fizikus úgy gondolja, hogy a fekete lyuk belsejében található szingularitás egyértelműen a tér és az idő végét jelzi, továbbá, hogy az ezzel találkozó anyag tökéletesen megsemmisül. Ha valóban ez a helyzet, akkor egy mindössze egyetlen nanoszekundum alatt lejátszódó szuper-spagettizálódás során még az űrhajós testének atomjai is eltűnnek a szingularitásban.

      Ha a fekete lyuk tömege tízmillió naptömeg, vagyis körülbelül akkora, mint amekkora fekete lyukat a Tejútrendszer középpontjában sejtünk, és ez a fekete lyuk nem forog, akkor az űrhajós zuhanása az eseményhorizonttól a szingularitásig mintegy három percig tart. Ebben az utolsó három percben bizonyára elég kényelmetlenül érezné magát, legalábbis abban az esetben, ha a spagettizálódás nem pusztítaná el a szerencsétlent még jóval a szingularitás elérése előtt. Bármi is történjék, az űrhajós zuhanása utolsó szakaszában sem láthatná meg a szingularitást, hiszen azt a fénysugárzás sem képes elhagyni. Ha a szóban forgó fekete lyuk csupán egy naptömegű, akkor sugara körülbelül három kilométer lenne. Ebben az esetben az eseményhorizonttól a szingularitásig tartó zuhanás mindössze néhány milliomod másodpercig tartana.

      Bár a teljes megsemmisülésig eltelő idő az űrhajós vonatkoztatási rendszeréből nézve nagyon rövid, a fekete lyuk úgy torzítja a téridő szerkezetét, hogy nagyon távolról az űrhajós utolsó útja olyan, mintha lassított felvételen néznénk végig. Ahogy az űrhajós egyre jobban megközelíti az eseményhorizontot, úgy lassul le egyre jobban a távoli megfigyelő számára az őt körülvevő események sora. Valójában úgy tűnik, mintha végtelen hosszú időre lenne szükség ahhoz, hogy az űrhajós elérje az eseményhorizontot. Ami tehát a Világegyetem távoli részén elhelyezkedő megfigyelő számára az örökkévalóságnak tűnik, az az űrhajós számára egy szempillantásnyi idő alatt lejátszódik.[8] Ilyen értelemben a fekete lyuk úgy tekinthető, mint a Világegyetem valamiféle kapuja,[9] vagy a semmibe nyíló kijáratot jelentő kozmikus zsákutca. A fekete lyuk a tér kicsiny tartománya, amely az idő végét foglalja magában. Akik kíváncsiak a Világegyetem végső sorsára, azok egy fekete lyukba beleugorva saját bőrükön közvetlenül is megtapasztalhatják azt. Bár a gravitáció a természet erői közül messze a leggyengébb, lopva settenkedő és összegeződő hatása határozza meg a dolgok végső sorsát, nem csak az egyes égitestek, hanem a kozmosz egésze esetében is. A végállapotukba jutó csillagokat összeroppantó könyörtelen vonzás sokkal nagyobb léptékben, a Világegyetem egészére is hatással van. Ennek az egyetemes vonzásnak a végkimenetele nagyon érzékenyen függ attól, hogy mekkora a gravitációs vonzást kifejtő anyag pontos mennyisége. mérnünk a Világegyetem tömegét.