A technológia fejlődése segített az asztrofizikusoknak többet megtudni a fekete lyukak működéséről. Albert Einsteinnek 10 évébe telt, hogy megtalálja az általános relativitáselmélet egyenleteit, de Karl Schwarzschild német asztrofizikusnak mindössze néhány hónapra volt szüksége ahhoz, hogy megoldja azokat. Schwarzschild megoldása egy elszigetelt, gömb alakú és változatlan objektum – a rejtélyes fekete lyuk – gravitációját írja le, de ezt a leírást sokáig nem értették meg.
A fekete lyukak segítettek az új csillagászati felfedezések magyarázatában, és az asztrofizika alapvető alkotóelemeivé váltak. A tudomány a fekete lyukakat egészen az 1960-as évekig absztrakciónak tekintette. A gravitációs hullámok közelmúltbeli kísérleti felfedezése megváltoztatta a fekete lyukakról alkotott képünket.
2016-ban a LIGO-Virgo együttműködés két összeolvadó fekete lyuk által keltett gravitációs hullámokat észlelt, ami a csillagászat új korszakát nyitotta meg, amit a 2017-es fizikai Nobel-díjjal ünnepeltek.
2019-ben az Event Horizon Telescope képet adott ki a közeli M87 galaxisban található szupermasszív fekete lyukról. A következő évben a fizikai Nobel-díjjal Roger Penrose úttörő elméleti fekete lyukakkal kapcsolatos tanulmányait, valamint Andrea Ghez és Reinhard Genzel megfigyelési tanulmányait ismerték el.
Mi az a fekete lyuk?
A fekete lyuk fogalma az eseményhorizont gondolatán alapul – ez az a pont, amikor a fekete lyuk gravitációs vonzása alól való kilépéshez szükséges sebesség meghaladja a fénysebességet. Bármi, ami az eseményhorizontba esik, örökre elvész.
A Schwarzschild-sugár az eseményhorizont sugara, és arányos a fekete lyuk tömegével. Schwarzschild definíciójának azonban van egy buktatója: tudnunk kell, hogy a fekete lyukból semmi sem fog kiszabadulni. De ez azt jelenti, hogy a fekete lyukat örökké kellene figyelni kell ahhoz, hogy tudjuk, hogy ez biztosan így van. A gyakorlatban ez lehetetlen.
Einstein egyenleteinek egy másik matematikai megoldása a fekete lyuk kialakulását egy fénygömbhéj összeomlásával írja le, ahol a középpontban kialakul egy eseményhorizont és kifelé tágul.
Új fekete lyukak
Tökéletesen elszigetelt vagy változatlan fekete lyukak nem léteznek. A valós fekete lyukakat körülöttük keringő korongok, csillagszelek és sötét anyag veszi körül, amelyek mindegyike infolláló anyagot termel, ami növeli a tömegüket.
A fekete lyukak gyakran párban léteznek, egyre közelebb és közelebb spiráloznak egymáshoz, és gravitációs hullámokat bocsátanak ki, amíg össze nem olvadnak egy nagyobb fekete lyukba, a horizont pedig időben változik, mégpedig drámaian az összeolvadáskor.
A 2016-os LIGO/Virgo gravitációs hullámok két fekete lyuk látványos összeolvadásakor keletkeztek. Mire ezek a hullámok elérték a Földet, már gyengébbek voltak, mint a környezeti zaj, és csak úgy lehetett azonosítani őket, hogy a várható jel elméleti sablonjait összevetették az adatokkal.
Kérdéses az is, hogy a fekete lyukat az örök eseményhorizont jelllemzi-e? A szimulációk a látszólagos horizontot használják, amelyet az a tulajdonság jellemez, mégpedig hogy semmi sem menekülhet ki belőle.
A látszólagos horizontok döntő szerepet játszottak az újonnan született gravitációs hullámcsillagászatban, de meglepően kevéssé ismertek.
A fekete lyukak azért változnak, mert táguló univerzumban élnek. Stephen Hawking elméleti fizikus megjósolta, hogy a kvantummechanika miatt minden fekete lyuk energiát sugároz, ami miatt zsugorodni kezdenek. Bár gyakorlati szempontból elhanyagolható, ez a sugárzás elvileg elkerülhetetlen.
Új felismerések
A fekete lyukakról alkotott elképzeléseink a horizont matematikai meghatározásán alapulnak. A látszólagos horizontot a fénysugarak viselkedése határozza meg a környezetében: a sugarak nem tudnak elmenekülni (és mivel semmi sem mozog gyorsabban a fénynél, semmi sem menekül) a jelen pillanatban.
De hogy a fénysugarak hogyan viselkednek, az attól függ, hogy a megfigyelő milyen matematikai szimulációkkal írja le őket. Mivel a relativitáselméletben az idő és a tér a megfigyelőtől függ, a sugarak megállásának helye és a jelen idő különböző megfigyelők esetében eltérő. Tehát maga a látszólagos horizont a megfigyelőtől függ.
Maga a fekete lyuk léte a megfigyelőtől függővé vált, míg a régi eseményhorizont univerzális volt.
Az új fekete lyuk-fogalmat kifejező matematika azt mondja, hogy még Schwarzschild esetében is léteznek bizonyos megfigyelők, akik szerint nincs látszólagos horizont, tehát nincs fekete lyuk! Igaz, ezek a matematikai megfigyelők nagyon mesterségesek. Minden megfigyelés (amely egy fekete lyuk tényleges viselkedésének megfigyelése révén történik), amely a Schwarzschild-geometrián alapul gömb alakúnak gondolva a fekete lyukat, feltételezi a horizont jelenlétét.
Örülhetünk tehát, hogy a tudósok végre kimutatták a fekete lyukakból származó gravitációs hullámokat, de sok új dolgot is felfedeztünk a fekete lyukak megértése során.