A kozmológiával, vagyis az univerzum formálódásával és viselkedésével foglalkozó csillagászok egyik nagy problémája a szupernehéz fekete lyukak keletkezésének kérdése. Egyelőre ugyanis teljes rejtély, hogy ezek hogyan formálódhattak. A Brookhaven Nemzeti Laboratórium elméleti fizikusai azonban nemrégiben közzétettek egy új teóriát, amely megoldást kínál a problémára. És bár az ötlet egyelőre tisztán elméleti, többek közt eddig még nem megfigyelt részecskéket és feltételezéseket tartalmaz, egyszerre két nagy gondot is megoldhat a szupernehéz égitestekkel szemben, így különösen vonzó opciónak tűnik.
Nagy a tömeg, kevés az idő
A probléma maga nagyon is gyakorlati jellegű: Jelenlegi ismereteink szerint minden nagy galaxis középpontjában egy szupernehéz fekete lyuk található, amelynek tömege pár millió és pár milliárd naptömeg közötti. Ha ezekbe a fekete lyukakba anyag hullik, a táplálkozó égitestbe hulló forró, izzó anyag olyan intenzív sugárzást bocsát ki, hogy fényesebbé válhat teljes galaxisoknál, és nagy távolságokból is látható lesz. Minél nagyobb a fekete lyuk, annál fényesebb, ha aktív, hiszen annál több anyagot tud maga köré gyűjteni.
Jelenleg több olyan fekete lyukat is ismerünk, amely több milliárd naptömegű, és a legtávolabbi több mint 13 milliárd fényévre van tőlünk.
Ez pedig önmagában nagy probléma, hiszen az univerzum mindössze 13,8 milliárd éves. Ezeknek a gigantikus fekete lyukaknak a világegyetem tágulását figyelembe véve is nagyon gyorsan kellett nagyon nagyra nőniük ahhoz, hogy ma azt lássuk belőlük, amit látunk. A fekete lyukak viszont a jelenlegi fizikai ismerteink alapján egyáltalán nem nőnek gyorsan: ahogy a feléjük hulló anyag felhevül, az intenzív sugárzás nagy nyomást generál, ami az anyag egy részét eltávolítja a fekete lyuk közeléből. Ez pedig egy határt, az úgynevezett Eddington-határt szab annak, hogy a fekete lyukak milyen gyorsan képesek gyarapodni. (És olyan gyorsan ez alapján nem tudnak, ami megmagyarázná a már említett, távoli gigászok létezését.)
Az Eddington-határ „megkerülésére” több teóriájuk is van a kutatóknak. Az egyik, hogy ezek a nagyon nagy fekete lyukak eleve közepes méretűként jöttek a világra az Ősrobbanás után nem sokkal az összezuhanó anyagból. Hogyha pár százezer naptömeggel kezdték, akkor máris egyszerűbb a képlet, de ez sem oldja meg teljesen a problémákat.
Hirtelen fázisátmenetek
És pontosan itt jön be a képbe az új teória. Tudjuk, hogy az Ősrobbanás után rövid idővel – kevesebb mint egy másodperccel, tehát még mielőtt az anyag létrejött – a sugárzás dominált a világegyetemben. Az univerzum ekkor rendkívül forró volt, nagyjából 100 milliárd fokos, majd ahogy tágulni kezdett, megkezdődött a hűlése is. Amikor valami hűl, fázisátmenetek következhetnek be. A hétköznapi életben ez azt jelenti, hogy halmazállapotot vált, vagyis például a víz egy bizonyos hőmérséklet alatt szilárddá válik, megfagy, a vízgőz pedig folyékony vízzé csapódik le.
A kurrens modellek szerint az univerzum több fázisváltáson is átment a születése utáni percekben. Az új kutatást jegyző szakértők most ezekhez adtak hozzá egy teoretikus újabb fázisátmenetet, amely során a világegyetem egy pillanatra hirtelen lehűlt. Az ezt kiváltó fizikai háttér meglehetősen komplex, és azon alapul, hogy az energia és az anyag nagyon forró hőmérsékleten és nyomáson rendkívül furcsa interakciókra képes lépni. De lényegében arról van szó, hogy a folyamatok nyomán a sugárnyomás egyszer csak hirtelen lecsökkent. Mivel ez a nyomás tágította az univerzumot, megakadályozva az anyag összeomlását, amikor lecsökkent, az anyag egyes helyeken a gravitáció nyomán gyorsan nagy tömegű objektumokká tudott összeállni.
Az új modellek alapján egy ilyen rendszerben elképzelhető az is, hogy rövid idő alatt egymilliárd naptömegű fekete lyukak jöjjenek létre. Ehhez nem is kellett különösebben erőlködni:
mivel a kérdéses időszakban az univerzum még nagyon kicsi és sűrű volt, a sugárnyomás pillanatnyi kihagyása gyakorlatilag azonnal gigantikus gravitációs összeomlásokat válthatott ki.
Ultrakönnyű axionok
A teória egyúttal egy furcsa szubatomi részecske keletkezésére is magyarázatot ad, amelyről egy ideje már sejtik, hogy létezhet, de eddig még nem sikerült detektálni. A rejtélyes sötét anyag egyik teoretikus részecskéjéről van szó, amelyek nem úgy viselkednek, mint a látható anyag részecskéi. A sötét anyagról közvetett módon a kutatók már igazolták, hogy létezik, az azonban, hogy miből áll, még mindig rejtély. Elképzelhető, hogy egyféle részecske alkotja, de az is, hogy ugyanolyan sokféle részecskéből áll, mint a látható anyag, protonokból, neutronokból, müonokból stb.
A részletek megint csak elég bonyolultak, de a kutatók lényegében azt mutatják meg, hogy a vázolt helyzetben a fázisváltás sötétanyag-részecskék tömegének keletkezéséhez vezethet. És megfelelő körülmények között, létrejöhet ezek között egy ultrakönnyű sötétanyag-részecske is, az úgynevezett ultrakönnyű axion, amelyről egyelőre senki sem tudja, hogy létezik-e.
Egyes csillagászati megfigyelések azt sugallják, hogy létezik ilyen. A legkisebb ismert galaxisokban nagyon sok a sötét anyag, ami kihat a formájukra is. A megfigyelt formák azonban nem hasonlítanak azokra, amiket a modellek a sötét anyagról tudottak alapján sugallnak. A sztenderd sötétanyagmodell alapján ráadásul többek közt saját galaxisunk, a Tejútrendszer körül is több kis méretű kísérőgalaxisnak kellene lennie.
A harmadik probléma, hogy a sztenderd modell szerint saját csillagrendszerünk körül nagy tömegű sötétanyagcsomóknak kellene keringeniük, sok-sok csillaggal, ilyeneket azonban nem látunk.
Az ultrakönnyű axionok léte azonban úgy változtatná meg az univerzum jellegét, hogy az megoldást jelenten ezekre a megfigyelési és modellezési problémákra. Az új, feltételezett fázisátmenet tehát egyszerre kínál megoldást a szupernehéz fekete lyukak legnagyobbjainak keletkezésére és a sötét anyag rejtélyére azáltal, hogy az említett fázisátmenet rengeteg ultrakönnyű axiont is termelhetett.
***
A fizikusok teóriája szerint a kérdéses fázisátmenet gravitációs hullámokat is keltett, amelyek egy napon észlelhetők lehetnek a megfelelő módszerekkel, mivel máig megőrződtek a téridő szövetében. Ha ezeket a mára fodrozódássá szelídült hullámokat sikerülne megtalálni, azzal igazolást nyerhetne az új elmélet.
Mindez persze első hallásra nagyon elméletinek tűnhet, sok-sok feltételezéssel. De ezek a feltételezések rendkívül fontosak, hiszen azt próbálják feltárni, hogyan létezhet a világegyetem a jelenlegi formájában. Tudjuk, hogy a kozmosz bizonyos szabályok szerint működik, és azt is tudjuk, hogy ezen szabályok közül még nem ismerjük mindegyiket. Ahogy egyre mélyebbre és távolabbra ásunk, egyre bizarrabb jelenségekkel szembesülünk, próbálva ezeket beilleszteni a meglévő keretrendszerbe ennek folyamatos bővítése, módosítása által. Szóval ha mindez nagyon furcsán hangzik, egy dolgot garantálhatunk: lesz ez még sokkal furcsább is.
