Mini fekete lyukakra vadászik majd a NASA Nancy Grace Roman űrtávcsöve

1724

Nemrég a NASA bejelentést tett a pár év múlva felbocsátandó, Nancy Grace Roman Space Telescope nevű műszerrel kapcsolatban, és megosztotta velünk azt, hogy az űrtávcső egyik fő küldetése az lesz, hogy mini fekete lyukakat keressen a fiatal Univerzumban.

Legtöbbször, amikor a fekete lyukakra gondolunk, a csillagok végállapotakor létrejövő, úgynevezett csillagtömegű fekete lyukak, vagy a galaxisok szívében „dobogó”, millió, vagy akár milliárd naptömegű fekete lyukak jutnak eszünkbe. Mindezek mellett azonban az elméletek szerint léteznek jóval kisebb tömegű fekete lyukak is, amelyek tömege akár egy nagyobb aszteroidához, vagy éppen a Földhöz hasonló. Ezek a mini fekete lyukak pedig talán már az idő kezdetekor, 13,8 milliárd évvel ezelőtt is léteztek, s éppen ezért, találó módon az elsődleges, vagy primordiális fekete lyuk névvel illette őket a tudományos szaknyelv. Természetesen ezeknek az objektumoknak a létezése napjainkban pusztán elméleti feltételezés, a Nancy Grace Roman űrtávcső, 2026-os felbocsátása után azonban bizonyosságot hozhat számunkra.

Illusztráció a Nancy Grace Roman űrtávcsőről, amint mini fekete lyukakra vadászik. (Forrás: Robert Lea (created with Canva)/NASA.)

„Ha sikerülne a Föld tömegéhez hasonló tömegű fekete lyukakat kimutatnunk, az nemcsak a csillagászat, hanem a részecskefizika szempontjából is áttörést hozna. Máig ugyanis nincs olyan elmélet a fizikában, amelynek segítségével megmagyarázhatnánk a létezésüket. Ha tehát megtaláljuk a mini fekete lyukakat, az alapjaiban rengeti majd meg az elméleti fizikát.” – nyilatkozott William DeRocco, a mini fekete lyukak kimutatását előirányozó csoport vezetője.

A fekete lyukak méretét a tömegük határozza meg

A legkisebb fekete lyukak, amelyeknek a léte már bizonyítást nyert, a csillagtömegű fekete lyukak: ezek a kezdetben legalább 30 naptömegű csillagok végállapotaként jöhetnek létre. Az ilyen csillagok magjában egy idő után megszűnik a fúziós energiatermelés, és ez a csillag magjának gravitációs összeomlásához vezet. Ha elég nagy volt a csillag kezdeti tömege, a magja közvetlenül fekete lyukká omlik össze, ha pedig nem érte el a határtömeget, a mag neutroncsillaggá alakul, amelyről a csillag befelé hulló további rétegei visszapattannak, és egy kifelé terjedő lökéshullámot létrehozva szupernóva-robbanásként vetik le a csillag burkát. Az ezeknél is kisebb tömegű csillagok, mint például a Napunk, fehér törpeként fejezik be életüket.

Fontos kiemelni azonban, hogy az Univerzum születésekor még egészen más fizikai állapotok uralkodtak, mint világunk „modern” korszakában. Amikor a Világegyetem forró, sűrű és turbulens állapotú volt, talán a fent említett tömegeknél jóval kisebb anyagcsomósodások is összeomolhattak fekete lyukakká.

Az ősi mini fekete lyukak művészi ábrázolása. (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center.)

A fekete lyukak külső határát, amely alól még a fény sem tud kiszökni, hogy a szemünkbe jusson, eseményhorizontnak nevezzük. A fekete lyuk sugarát, tehát az eseményhorizont és a fekete lyuk közepében elhelyezkedő, végtelen sűrűségű pont (szingularitás) távolságát a fekete lyuk tömege határozza meg a szökési sebesség képletén keresztül. A szökési sebesség azt mutatja meg, hogy mekkora sebességre van szüksége egy objektumnak ahhoz, hogy elhagyja egy adott égitest gravitációs mezejét. A fekete lyukak esetében a szökési sebesség egyenlő a fény sebességével, az objektum sugara, az úgynevezett Schwarzschild-sugár, pedig szintén a képletben foglaltatik. Ilyen módon tehát a fekete lyuk tömege és sugara összefügg egymással.

Ha a képlet szerint kiszámoljuk az M87 galaxis szívében lévő, 2,4 milliárd naptömegű fekete lyuk Schwarzschild-sugarát, körülbelül 24,8 milliárd kilométert kapunk eredményül, egy 30 naptömegű fekete lyuk esetén pedig ez az érték 177 km. Ha Földünket tömörítenénk össze fekete lyukká, annak mérete nem lenne nagyobb, mint egy pénzérme. Egy kisebb aszteroidával egyező tömegű mini fekete lyuk átmérője ezek alapján még egy proton átmérőjénél is kisebbnek adódik!

A mini fekete lyukak létezésének elméletét támogató tudósok úgy gondolják, hogy ezek az egzotikus objektumok a Világegyetemet kialakító ősrobbanás során jöttek létre. Ekkor a tér még a fény sebességénél is gyorsabban tágult, és a benne lévő csomósodások mini fekete lyukakká omolhattak össze. Ezt az elméletet azonban nem minden tudós osztja, közöttük például a világhírű Stephen Hawking is mást gondolt.

Meg tudnak halni a fekete lyukak is?

Stephen Hawking egyik legforradalmibb elmélete alapján semmi, még a fekete lyukak sem élhetnek örökké. A nagy hírű fizikus szerint a fekete lyukak hő kibocsátása mellett egy adott idő alatt „elpárolognak” – ezt nevezi a tudományos szaknyelv Hawking-sugárzásnak. Ahogy a fekete lyukak Hawking-sugárzást bocsátanak ki, tömeget veszítenek, majd végül felrobbannak. Minél kisebb a fekete lyuk tömege, annál gyorsabban párolog el a felszíne, így tehát a szupernagy tömegű fekete lyukak elpárolgásához több idő szükséges, mint az Univerzum életkora, míg a mini fekete lyukak szinte egy pillanat alatt „elfogynak”.

A különböző méretű fekete lyukak élettartamának sematikus ábrája. (Forrás: NASA’s Goddard Space Flight Center.)

Ezen elmélet ismeretében felvetődik a kérdés, hogy az ősi mini fekete lyukak hogyan éltek túl 13,8 milliárd évet. Éppen ezért, ha a nemsokára felbocsátandó Nancy Grace Roman űrtávcsőnek sikerülne mérési bizonyítékokkal alátámasztani a létezésüket, több fizikai elméletet kéne újragondolnunk a galaxisképződéstől kezdve az Univerzum sötét anyag-tartalmán át az ősrobbanás történetéig.

A mini fekete lyukak kimutatása azonban nem lesz egyszerű: ahogy a nagyobb méretű fekete lyukak, úgy ezek sem vernek vissza, vagy bocsátanak ki fényt. Így tehát az egyetlen módja a detektálásuknak Einstein általános relativitáselméletén alapul.

Gravitációs mikrolencsézés

Az általános relativitáselmélet szerint a tömeggel rendelkező testek lepedőre ejtett almához hasonló módon hajlítják meg a „téridő” szövetét. Ilyen módon egy háttérforrás fénye elhajlik egy nagy tömegű test, egy úgynevezett gravitációs lencse mellett. A fény minél közelebb halad el a nagy tömegű testhez, annál inkább megváltozik az iránya, és ilyen módon egy adott háttérforrás fénye akár több, különböző időpontban is beérkezhet távcsöveinkbe. Ezt a jelenséget hívják a fizikában gravitációs lencsézésnek. Ez a hatás kis tömegű égitestek esetén úgy érvényesül, hogy a háttérforrás egy kis időre felfényesedik, és ilyen módon észlelhetővé válik. Ezt nevezzük gravitációs mikrolencsézésnek.

A gravitációs mikrolencsézés szemléltetése mini fekete lyukak esetén. (Forrás: Robert Lea (created with Canva)/NASA.)

Jelenleg a mikrolencsézés jelenségét kóbor exobolygók felfedezésére használják, amelyek központi csillag nélkül vándorolnak Tejútrendszerünkben. Ezzel a módszerrel több Földhöz hasonló tömegű bolygó jelenlétét sikerült kimutatni, mint amennyit az elméletek jósolnak. Éppen ezért a Nancy Grace Roman űrtávcső egyebek mellett ilyen bolygók felfedezésével is kecsegtet.

Némely kutatók szerint azonban ezek a Földhöz hasonló tömegű objektumok nem feltétlenül bolygók, hanem akár mini fekete lyukak is lehetnek. „Jelenlegi méréseink birtokában lehetetlen eldönteni, hogy amit észleltünk, az egy Földhöz hasonló bolygó, vagy egy mini fekete lyuk.” – emelte ki a kutatásvezető. – „A Roman űrtávcső segítséget nyújt majd e két dolog statisztikai megkülönböztetésében, és így jelentős lépést tesz afelé, hogy jobban megértsük a minket körülvevő világot.”

A kutatócsoport eredményeit a Physical Review D című újságban tette közzé.

A cikk forrása: https://www.space.com/nancy-grace-roman-primordial-black-hole-detection

Hozzászólás

hozzászólás