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
10
44 joule energiát szállítanak el a rendszerből.
(Hasonlítsuk össze ezt a számot a Nap sugárzó teljesítményével,
ami körülbelül 3 X 10
26 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.