Miért ért Nobel-díjat a fekete lyukak vizsgálata?

A fekete lyukak összeolvadásából keletkező gravitációs hullámok detektálása szokatlanul gyorsan, lényegében az érzékelés után alig másfél évvel, 2017-ben fizikai Nobel-díjat ért, 2020-ban viszont a fekete lyukak három olyan tudósnak hoztak elismerést, akik az elméleti eredményeket már 55 éve a gyakorlati eredményeket 25-30 éve letették az asztalra.

Fényt hozó fekete lyuk

Azt már az 1749-ben született Pierre-Simone de Laplace felvetette, hogy lehet olyan anyagsűrűség, gravitációs erő amelyből már a fény sem szabadulhat ki – lényegében ez volna a fekete lyuk.

Einstein ezt 1915-ben elméleti úton bizonyította is – de 40 évvel később még úgy halt meg, hogy a fekete lyuk még mindig csak elmélet volt, ha megalapozott is.

A fekete lyukhoz meglepő módon a fény vezetett el: Maarten Schmidt holland csillagász a hatvanas évek elején ugyanis csillagszerű rádióforrást fedezett fel, ám olyat, amelyek fényereje sokkal nagyobb volt, mint ami egy csillag esetében elméletileg lehetséges volt.

Fúziónál hatékonyabb

De mi érhette el egy csillag fényének akár ezerszeresét? Nem más, mint a fekete lyukba ömlő anyag, az akkréciós korong. „Az akkretálás tízszer hatékonyabb, mint a csillagokat működtető hidrogénfúzió” – magyarázta Frei Zsolt. Az ELTE Természettudományi Kara Fizikai Intézetének igazgatója, az Atomfizikai Tanszék tanszékvezető egyetemi tanára szerint Penrose munkásságának idejétől, a '60-as évek közepétől vált igazolttá, hogy ezek a Schmidt által kvazároknak (a csillagszerű rádióforrás rövidítéséből) elnevezett objektumok fekete lyukakat jeleznek. De nem egyszerűen az összeomló nagyméretű csillagokból keletkező fekete lyukakat, hanem olyanokat, amelyek az évmilliárdok során az anyag folyamatos begyűjtésével szupernehézzé növekednek.

Frei szűkebb szakterületét adják a fekete lyukak tanulmányozása, szerepe volt a gravitációs hullámok detektálását célzó LIGO programban is – olyannyira, hogy a LIGO-tól azon kevesek egyike volt, aki részt vehetett azon a bizonyos 2017-es Nobel-díj átadási ceremónián is Stockholmban.

A 20. század utolsó harmadában már feltételezték, hogy kell lennie a Tejútrendszer közepén is egy szupernehéz fekete lyuknak. A német Rinhard Genzel és az amerikai Andrea Ghez ezt igazolta a kilencvenes évek első felében, felfedezve a Sagittarius A környékén elliptikus pályáját bejáró csillagokat. A csillagok mozgása arra utalt, hogy egyik gyújtópontjában hatalmas tömegű objektumnak kell lennie. Ez azonban akkréciós korong híján nem látható, fekete lyuk, amelynek tömege a csillagok pályájából és sebességéből kiszámítható volt. Így tudhatjuk a két, most már szintén Nobel-díjas asztrofizikus révén, hogy a Tejútrendszer közepén egy négymillió naptömegű fekete lyuk található.

Minden galaxis magja egy fekete lyuk

Azóta a környező galaxisokban is sikerült kimutatni, hogy a középpontjukban szupernehéz fekete lyuk van, és bizonyosnak látszik, hogy ez minden galaxisra igaz – mondta Frei.

A galaxisok összeütközésével ezek a szupernehéz fekete lyukak tovább nőnek. „Ez így megy évmilliárdok óta. Hétmilliárd év múlva összeütközünk az Androméda-galaxissal, az ütközéskor a fekete lyukak is keringenek egymás körül, majd összeolvadnak, akkor ebből egy akár tízmillió évig világító kvazár keletkezik majd” – mondta a korábban a tokiói egyetemen vendégkutató, a pennsylvaniai egyetemen vendégoktató Frei, aki a Max Planck Intézetben is dolgozott, amelynek vezető munkatársa a most díjazott Reinhard Genzel. Frei korábban a Columbia Egyetem asztrofizikus professzorával, Haiman Zoltánnal megírt cikkében egyébként azt is kimutatta, hogy a szupernehéz fekete lyukak tömegüket elsősorban akkretálással, tehát a környező anyag begyűjtésével növelik, nem pedig a további fekete lyukak bekebelezésével – bár ez sem elhanyagolható, ráadásul ez a folyamat komoly gravitációs hullámforrást biztosít.

Egyetemi műholdflotta

Frei épp ezért sokat vár a LISA-programtól, amelynek célja, hogy a szupernehéz fekete lyukakból érkező hullámokat detektálják az űrbe feljuttatandó műholdak által létrehozott 5 millió kilométer hosszú lézerkarok révén.

A szakembert nem lepte meg, hogy ismét asztrofizikusok kaptak Nobel-díjat. „Húsz éve mondom a diákjaimnak is, hogy ez egy nagy áttöréseket hozó terület, amit ráadásul a NASA is finanszíroz, így több forrás is van rá, mint a kísérleti fizika területére” – mondta a szakember. Az is nagy konjunktúrát ad az asztrofizikának, hogy fejlődnek a számítógépek és egyre olcsóbbá válik az űrtechnológia. Ez teszi lehetővé, hogy Frei közreműködésével az ELTE most egy kilenc műholdból álló flotta űrbejuttatásán dolgozik, hogy gammatartományban végezzen olyan méréseket, amelyeket a Földről nem lehet megoldani, ezzel hozzájárulva a gravitációs hullámok forrásának meghatározásához.