Kopaszok-e a fekete lyukak? – a feketelyuk-szeizmológia hajnala

4345

A fekete lyukak megfigyelése terén kétségkívül forradalmi előrelépést hozott az első feketelyuk-összeolvadás gravitációs hullámainak megfigyelése 2015 szeptemberében. A csillagászok most a fekete lyukak terén új módszert vetettek be annak érdekében, hogy ezekből a gravitációs jelekből még több információt nyerhessenek az őket kisugárzó égitest kezdeti és végállapotáról. Ez a módszer, a szeizmológia nem ismeretlen a geofizikusok és a sztellár-asztrofizikusok előtt. A geofizikusok a Föld belsejében terjedő rengéshullámok révén következtetnek bolygónk számunkra fizikai valójában hozzáférhetetlen mély rétegeinek tulajdonságaira. Hasonlóképp, a helio- és asztroszeizmológusok a Napban és a távoli csillagokban terjedő rengéshullámok által az égitest színképében és fényességében okozott időbeli változásokból következtetnek a csillagok belső szerkezetére. Maximiliano Isi, az Amerikai Egyesült Államokbeli Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) asztrofizikusa és munkatársai most a szeizmológia eszközeivel vizsgált meg több feketelyuk-összeolvadásból származó gravitációs hullámot, megnyitva a megfigyelési feketelyuk-szeizmológia új fejezetét.

Szimulált ábra két, közvetlenül összeolvadás előtt álló fekete lyukról. Forrás: Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) Project.

A két fekete lyuk összeolvadásából keletkező új, nagyobb tömegű fekete lyuk gerjesztett állapotban látja meg a világot, amit egy összenyomott léggömbhöz hasonlíthatunk. A magára hagyott léggömbhöz hasonlóan ez a fekete lyuk is a legalacsonyabb energiaállapotnak megfelelő gömb formára törekszik, miközben az energiatöbblet rezgéseket kelt benne. A rezgések a fölös gerjesztési energia gravitációs hullámok formájában való kisugárzódása révén nagyon gyorsan, a másodperc tört része alatt lecsengenek. Ám amíg tartanak, addig árulkodnak a fekete lyuk fizikai tulajdonságairól.

Albert Einstein általános relativitáselmélete szerint a fekete lyukak rendkívül egyszerű objektumok, melyek mindössze három fizikai mennyiséggel, a tömegükkel, a perdületükkel és az elektromos töltésükkel tökéletesen jellemezhetőek. Ezt a tulajdonságukat írta le John Wheeler szemléletesen úgy, hogy „a fekete lyukak kopaszok”. Nincsen „hajuk”, ami az egyéb tulajdonságaikat reprezentálná. Ám a fizikusoknak komoly elvi problémájuk támadt ezzel az egyszerű képpel 1974-ben, amikor Stephen Hawking kimutatta, hogy a fekete lyukak mégsem tökéletesen feketék. Ez a probléma az információs paradoxon. Hawking eredményei arra mutatnak, hogy a fekete lyukak is bocsátanak ki sugárzást, amely révén tömeget veszítenek, míg végül teljesen elpárolognak. Ennek a jelenségnek a neve Hawking-sugárzás.

S hogy miért probléma ez? Ha egy fekete lyuk tökéletesen azonos módon fog kinézni azután, hogy belezuhant három tonna homok vagy ugyanennyi levéltári dokumentum, akkor a világegyetem állapotára vonatkozó információnak veszett nyoma. No de ezzel még hajlandóak lettek volna megbékélni a fizikusok – és a levéltárosok sem elégedetlenkedtek. Mindaddig, míg bízhattak abban, hogy az információ, habár a fekete lyuk eseményhorizontja mögé végérvényesen bezárva, ám továbbra is a világegyetemünk részeként megőrződött. De ha a fekete lyukak a világegyetem vége előtt megsemmisülhetnek, magukkal víve titkaikat a halálba, az már valóban komoly elvi probléma. Mert ezek szerint elvileg is tartozhat azonos jelen különböző múltakhoz. – Ennek már a fizikusok mellett a történészek sem örülnének!

Nem csoda, hogy a kérdés vizsgálata fontos helyet foglalt el az elmúlt évtizedek feketelyuk-kutatásaiban. A fizikusok jelenlegi konszenzusa szerint a fekete lyukak mégsem  tökéletesen kopaszok, az eseményhorizontjuk nem teljesen sima. A fekete lyukakba hullott dolgok emlékét megőrzik a felszínük kicsiny torzulásai, ami pedig maga után vonja azt, hogy a Hawking-sugárzás nem lesz tökéletesen feketetest-szerűen termikus, sem izotrop. Vagyis az információt a sugárzás visszacsempészi a világegyetembe. Ha ez valóban így van, vagyis a fekete lyukak nem kopaszok, az a feketelyuk-szeizmológiával ellenőrizhető kell legyen.

A GW150914 jelű úttörő esemény gravitációs jelei a két LIGO detektorból (sárga és kék vonalak), illetve a jelek frekvencia-idő diagramja (fölöttük színárnyalatokkal). Isi és munkatársai most a legfényesebb árnyalatokkal jelölt összeolvadási eseményt követő lecsengési fázist elemezték igen behatóan. Forrás: ApJL.

Isi és munkatársainak első lépései ezen az új szakterületen ígéretesek. Új elemzési módszereikkel meglepően sok olyan jelet sikerült kinyerniük az összeolvadási események ütközés utáni, lecsengő fázisáról, amit a korábbi elemzők a detektorok jelenlegi érzékenysége mellett lehetetlennek tartottak. Ezek a vizsgálatok azonban egyelőre nem mutatnak eltérést a tökéletesen szimmetrikus feketelyuk-geometriától. Ám ez nem jelenti azt, hogy a fekete lyukak kopaszsága megerősítést nyert. Csupán azt, hogy az ellenkezője jelenleg nem bizonyítható. A tudomány és a technika azonban természetesen fejlődnek, az idővel felgyülemlő nagyobb statisztikai mintával, valamint az érzékenyebb megfigyelésekkel reményeink szerint a közeli jövőben már okosabbak leszünk az információs paradoxon igen fontos elvi kérdésében is.

Források: Science Daily, Stephen Hawking élete és világa.

Hozzászólás

hozzászólás