A 2020. évi fizikai Nobel-díj: a fekete lyukak nyomában
Már hagyomány, hogy október második hetében naponta bejelentik azoknak a nevét, akiket abban az esztendőben Nobel-díjjal tüntetnek ki. Október 5-én, hétfőn megtudtuk, kik kapták az orvosi Nobel-díjat, kedden pedig ismertették a fizikai Nobel-díj idei kitüntetettjeit. Ritkán történt meg eddig, hogy két egymást követő esztendőben is csillagászati vonatkozású felfedezést találtak méltónak a díj elnyerésére. Ismeretes, hogy tavaly a világegyetem fejlődésével kapcsolatos új elképzeléseket (James Peebles), valamint az exobolygók felfedezését (Michel Mayor, Didier Queloz) jutalmazták a rangos kitüntetéssel. Ebben az évben a rejtélyes égi objektumok – az úgynevezett fekete lyukak – elméleti és gyakorlati kutatásáért ítélte oda a stockholmi testület a díjat.
Mielőtt bemutatnánk a kitüntetetteket essen szó ezekről a nehezen meghatározható objektumokról.
A fekete lyuk elnevezés arra utal, hogy a téridőnek ez a tartománya olyan nagy gravitációjú, hogy a „felületéről” – ezt eseményhorizontnak is nevezik – semmi, még a fény sem tud kiszabadulni, tehát lényegében közvetlenül nem lehetne észlelni, csak a környezetére gyakorolt hatásának következményei árulják el a jelenlétét. Igyekeztem lehetőleg egyszerűen és közérthetően jellemezni, miről is van szó, bár őszintén szólva a dolog ennél sokkal bonyolultabb.
Ezeknek a képződményeknek a létezését Albert Einstein 1915-ben közreadott általános relativitáselmélete is feltételezte. Érdekes ugyanakkor, hogy John Michell (1724–1793) angol geológus már 1783-ban a Royal Societynek küldött dolgozatában felvetette azt a lehetőséget, hogy egy Nap sűrűségű, de annál 500-szor nagyobb sugarú gömb felületén a szökési sebesség megegyezik a fénysebességgel, azaz a gravitáció hatására a fény maga is visszazuhanna a testre. 1796-ban Pierre Simon de Laplace (1749–1827) francia fizikus, matematikus és csillagász is hasonló véleményt fogalmazott meg, aztán később visszavonta, így a fekete lyuk kérdése vagy 100 évre lekerült a napirendről.
Einstein általános relativitáselmélete a fény elhajlását is tárgyalja erős gravitációs mezőben. A múlt század harmincas éveiben az indiai Subrahmanyan Chandrasekhar (1910–1995) a különböző csillagok fejlődésével kapcsolatosan fogalmazott meg törvényszerűségeket, rámutatva arra, hogy az égitest tömegétől függően alakul a „sorsa”. Például fehér törpe lesz belőle vagy szupernóvaként felrobban. Más tudósok, így Robert Oppenheimer (1904–1967) is kifejtette, hogy a rendkívül nagy tömegű csillagok, miután elégetik „üzemanyagukat”, képtelenek ellenállni a hatalmas gravitációnak és egyszerűen összerogynak, miközben hatalmas energiát szabadítanak fel. Ezt egy távoli megfigyelő felvillanásként érzékeli, a visszamaradt „roncs” pedig egy neutroncsillag lesz, amely rendkívül sűrű anyagú, de nagyon kis méretű. Bizonyos esetekben azonban az eredmény egy fekete lyuk is lehet.
Mindez persze akkor még csak elméleti lehetőségként vetődött fel, de az 1960-as évek második felében Stephen Hawking (1942–2018) legendás elméleti fizikus vetette rá magát a témára. Egyértelművé tette, hogy a fekete lyukaknak törvényszerűen keletkezniük kell, mert az általános relativitáselméletből ez következik és bizonyos csillagok összeomlásakor elkerülhetetlen ez a végkifejlet. Ebben az időben fedezték fel a pulzárokat (a nagyon gyorsan forgó neutroncsillagokat) is, ami időszerűvé tette az addig fekete csillagoknak nevezett égitestek keresését. John Wheeler (1911–2008) amerikai fizikus volt a keresztapa: ő nevezte el fekete lyuknak ezt a valamit, amelynek a belső szerkezetéről semmit nem lehetett tudni, mivel közvetlen információkkal nem szolgált, viszont sorra elnyelte azt az anyagot, amely a nagy gravitációnak köszönhetően a közelébe került.
Az első, gyaníthatóan fekete lyuk szerű égitest, amelyről ezt Tom Bolton amerikai csillagász feltételezte a Cygnus X-1 kettőscsillag volt. A látható csillag egy láthatatlan égitest körül kering, amelynek több mint 14-szer nagyobb a tömege, mint a Napé.
A fekete lyukakkal kapcsolatos elképzelések és elméletek egész sora fogalmazódott meg az elmúlt évtizedekben. Ma már egyértelműnek tűnik, hogy a legtöbb galaxis középpontjában egy nagy tömegű fekete lyuk található, amely összetartja a csillagrendszert. Természetesen egy-egy galaxisban és talán a galaxisokon kívül is nagyon sok fekete lyuk lehet, ezek mérete és tömege változó, ráadásul vannak olyan fekete lyukak, amelyek forognak a „tengelyük” körül, mások ellenben „mozdulatlanok”. A fekete lyukak keletkezése is érdekes kérdéseket vet fel. Nemcsak a csillagok életének végső fázisa lehet egy fekete lyuk kialakulása, hanem az űr egy bizonyos területén nagy mennyiségű anyag torlódik össze és ennek összeolvadása eredményezhet egy olyan objektumot, amelyről a fény már nem szabadulhat.
Mint már utaltam rá, a fekete lyukakról közvetett módon lehet információkat szerezni. Például gravitációs lencseként viselkednek és a mellettük elhaladó fényt meggörbítik. Azok a kettőscsillagok, amelyek egymás körül keringenek gyakran egy látható és láthatatlan párt alkotnak, miközben a látható csillagból folyamatosan anyag áramlik a másik csillagba és ez „akkréciós korong” formájában nyilvánul meg.
A fekete lyukak elméletével foglalkozott a most kitüntetett tudósok egyike, a brit Roger Penrose (1931), aki eredetileg matematikát tanult (bár a biológia és az orvostudomány is érdekelte), végül az elméleti fizikánál és ezen belül a fekete lyukak problémájánál kötött ki. A már említett Stephen Hawkinggal (aki a diákja volt) együtt vizsgálták Einstein elméletét és egyértelművé tették, hogy a fekete lyukaknak létezniük kell. Penrose a róla elnevezett „csempézés” felfedezője is. Lényegében arról van szó, hogy különböző alakú és oldalú csempékből aperiodikus (nem szabályszerűen ismétlődő) csempehalmaz rakható ki, amely teljesen lefedi az adott síkot. Ez természetesen egy más tudományterületet érintő felismerés, de jól jellemzi Penrose sokoldalú érdeklődését.
A másik két kitüntetett gyakorló csillagász. A német Reinhard Genzel (1952) - 1999-től nyugdíjba vonulásáig a Berkeley Egyetem tanára volt - és az amerikai Andrea Ghez (1965) - aki jelenleg a Kaliforniai Egyetem professzora - már harminc éve módszeresen vizsgálják különböző eszközökkel a Tejútrendszer mozgását és különösen a centrumát, a Sagittarius A*-t (Sgr A*), amely egy nagyon fényes és kompakt rádióforrás. Ekörül kering egy S2 nevű csillag, és ennek a mozgását figyelve jutottak arra a következtetésre, hogy a Sgr A* egy hatalmas (több mint 4 millió naptömegű) fekete lyuk közelében helyezkedik el.
