A fekete lyukak Albert Einstein általános relativitáselméletének talán legfurcsább következményei. A fizikus 1915-ben publikált, a térről és az időről való gondolkodást alapvetően átformáló elmélete új kontextusba helyezte a gravitációt, mint az univerzumot nagyléptékben formáló, alapvető erőt. Einstein elmélete szerint mindent a gravitáció tart egyben: ez teszi lehetővé, hogy a Földön sétáljunk, hogy a Föld a Nap körül keringjen, és hogy a Nap a Tejútrendszer közepe körül keringjen. A gravitáció nyomán formálódnak csillagok a csillagközi anyagfelhőkből, hogy aztán ezek az égitestek életük végén gravitációs összeomlásban pusztuljanak el.
A nehéz objektumok pedig nemcsak, hogy meggörbítik az időt és a teret, ha kellően nehezek, azt képesek is magukba zárni – így születnek a fekete lyukak.
Az ilyen „sötét csillagokról” elméleti szinten már korábban, a 18. század végétől értekeztek a tudósok. John Michell és Pierre Simon de Laplace érvelése szerint, ha egy égitest kellően sűrű, láthatatlanná válik, mert a fény sem képes elszökni a közeléből. Einstein elmélete, rendkívül komplex egyenletek révén pontosan ilyen objektumokat írt le. Az egyenletekre ugyan már azok publikációja után néhány héttel megérkezett az első megoldás – Karl Schwarzschild révén –, az objektumokkal kapcsolatos kutatások az 1960-as évekig tisztán elméletiek maradtak.
A Schwarzschild, Oppenheimer és mások nevéhez fűződő vonatkozó publikációk és modellek tökéletes, gömbszerű és szimmetrikus csillagokat írtak le, amelyek természetes fejlődésük során idővel fekete lyukakká alakulnak. Az üzemanyagból kifogyó, nagy tömegű csillagok életük végén először szupernóvává válnak, majd magjuk összeomlik. A szupersűrű maradványok mindent magukhoz vonzanak, és a fényt sem hagyják elszökni. Az égitesteket ráadásul egy határfelület, az eseményhorizont rejti el a megfigyelők elől, amely egy Naphoz hasonló tömeg esetén nagyjából 3 kilométer átmérőjű, egy Földhöz hasonló tömegnél pedig mindössze 9 milliméteres, állították a teoretikusok.
Zuhanás a végtelenbe
A fekete lyukak tényleges létezésének és észlelhetőségének kérdése először komolyan 1963-ban merült fel, amikor felfedezték a kvazárokat. Az univerzum legfényesebb objektumai kapcsán érthetetlennek tűnt, hogy ezek honnan rendelkezhetnek annyi energiával. A Szűz csillagképben megfigyelt 3C273 például több mint egymilliárd fényévre van tőlünk, mégis olyan erősen sugároz, hogy tényleges fényességének több száz galaxiséval kellene egyenértékűnek lenni. Az egyetlen épkézláb magyarázatnak ezen erős, mégis kompakt rádióforrások létére az tűnt, hogy táplálkozó fekete lyukakról lehet szó.
Roger Penrose saját bevallása szerint 1964-ben, egy séta során jutott arra a kulcsfontosságú felismerésre, ami a fekete lyukak realisztikus körülmények közötti leírásához vezetett. A kutató megalkotott egy matematikai fogalmat, a csapdázott felületet, amelyen minden középre tart, függetlenül attól, hogy a felület kifelé vagy befelé hajlik. Penrose erre alapozva igazolta, hogy minden fekete lyuk egy szingularitást rejt, amely végtelen sűrűségű, így benne sem a tér, sem az idő nem értelmezhető. A Penrose által kidolgozott topológiai modellek nemcsak a fekete lyukak modellezéséhez, de a görbült világegyetem tanulmányozásához is elengedhetetlenek.
Ami a fekete lyukakat illeti, a modell szerint amint az anyag elkezd összeomlani és a csapdázott felület létrejön, onnantól nincs visszatérés.
Az eseményhorizonton csak egy irányban képes áthaladni az anyag, minden lehetséges útvonal befelé vezet, az idő átveszi a tér helyét, és minden menthetetlenül áramlik a szingularitás felé. Ha egy fekete lyukba esnénk, nem éreznénk semmit: senki sem látna kívülről minket, és a zuhanás örökké tartana, állítja Penrose. A fekete lyukat a fizika jelenlegi elméletei szerint nem lehet megpillantani, mert az örökre elrejtőzik az eseményhorizont mögé.
A rejtélyes tömeg
Bár a fekete lyuk láthatatlan, egyes tulajdonságai mégis vizsgálhatók a körülötte található égitestekre kifejtett gravitációs hatásai révén. Reinhard Genzel és Andrea Ghez egymástól függetlenül tanulmányozzák a Tejútrendszer centrumát, amely körül a Nap és a galaxis többi csillag kering. A Tejútrendszer középső részeit nem egyszerű vizsgálni, mivel a galaktikus korong rengeteg anyagán kell átnézni ehhez, de infravörös és rádiótávcsövekkel végül sikerült bekukkantani a por- és gázfelhők mögé, hogy kiderüljön, mi zajlik a csillagrendszer szívében.
Genzel és Ghez centrum csillagainak mozgása alapján mindennél meggyőzőbb bizonyítékokat sorakoztattak fel annak alátámasztására, hogy a Tejútrendszer közepén egy rendkívül nagy tömeg rejtőzik, amelynek jellegére megint csak a fekete lyuk tűnik az egyetlen értelmezhető magyarázatnak. A fizikusok a kvazárok felfedezése óta sejtették, hogy a galaxisok közepén, köztünk a sajátunkban is, egy-egy szupernehéz fekete lyuk lehet, de ezt igazolni sokáig nem tudták.
A Tejútrendszer közepét elsőként Harlow Shapley azonosította száz évvel ezelőtt, a Nyilas csillagképben. A későbbi megfigyelések megerősítették, hogy a vélt irányban egy erős rádióforrás rejtőzik, amely a Sagittarius A* nevet kapta.
Az 1960-as évek végére az is világossá vált, hogy amennyire tudni lehet, a Tejútrendszer minden csillaga ekörül a központi objektum körül kering.
A Sagittarius A* alaposabb tanulmányozására azonban az 1990-es évekig kellett várni. Genzel és Ghez kutatócsoportjai ekkor kezdték újonnan kifejlesztett és folyamatosan finomított technológiákkal, szisztematikusan vizsgálni a Tejútrendszer szívét. Genzel a chilei NTT távcsövet használta erre, majd a szintén chilei VLT-re váltott, amely 4 darab, több mint 8 méteres tükrös távcsőből áll össze. Ghez közben a hawaii Keck 10 méteres ikertávcsöveivel kezdett vizsgálódni.
Középpontban a fekete lyukak
A szakértők immár csaknem harminc éve követik a galaktikus központ csillagainak mozgását, egyre precízebb módszereket dolgozva ki ezek észlelésére. A munka során nagyjából 30 csillagot követnek nyomon éjszakáról éjszakára, amelyek mind a Sagittarius A* közvetlen közelében keringenek. A középponthoz legközelebbi égitestek mindössze egy fényhónapra vannak a rejtélyes rádióforrástól: ezek kaotikus táncban lejtenek a centrum körül. Az ennél távolabbi csillagok pályája jóval rendezettebb.
A megfigyelt csillagok egyike, az S2 kevesebb mint 16 évente kerüli meg a Sagittarius A*-ot, így mostanra a szakértők a teljes pályáját feltérképezték. Összevetésképpen a Nap több mint 200 millió év alatt ér körbe saját pályáján.
Az említett csillagok keringési adatai alapján a két kutatócsoport nagyon hasonló eredményekre jutott a Sagittarius A*-val kapcsolatban. Az objektumról azt állapították meg, hogy nagyjából 4 millió naptömegű, és átmérője nagyjából egyezik a Naprendszerével. Mivel ekkora térrészben ilyen nagy tömegre a fekete lyukakon kívül nincs más magyarázat, a szakértők mára egyetértenek abban, hogy a Sagittarius A* minden bizonnyal egy hatalmas fekete lyuk.
A fekete lyukak kapcsán továbbra is rengeteg a kérdés, a következő évek ugyanakkor ismét izgalmasnak ígérkeznek ebben a tekintetben is. Az Eseményhorizont Teleszkóp (EHT) tavaly először készített felvételt egy szupernehéz fekete lyukról, a Messier 87 nevű galaxis központi égitestjéről. Ez 55 millió fényévre van tőlünk, és több mint ezerszer nehezebb a Sagittarius A*-nál, amely rövidesen szintén az EHT célpontja lehet.
A rejtélyes égitestekről az utóbbi években ráadásul egy egészen új forrásból is ismereteket szerezhettünk: a gravitációs hullámok első, 2015-ös (2017-ben fizikai Nobel-díjjal jutalmazott) detektálása óta a ezekre érzékeny detektorok újabb és újabb feketelyuk-ütközéseket észlelnek, izgalmas újdonságokat tárva fel a Sagittarius A*-nál jelentősen kisebb fekete lyukak természetéről is.
