Einstein óta keresik a tudósok a sötét energiát, és lehet, hogy most megtalálták

A kozmológiában, vagyis az univerzum keletkezésével és fejlődésével kapcsolódó tudományágban még mindig legalább annyi a rejtély, mint amennyit már biztosan tudunk arról, hogy jött létre a világegyetem, és hogyan viselkedik. A kozmológiában elfogadott standard modell szerint az ősrobbanásra vannak bizonyítékok, és azt is tudjuk, hogy az univerzum egyre gyorsulva tágul, az viszont még egyáltalán nem tiszta, hogy miért. Hiszen a jelenlegi tudásunk alapján arra számítanánk, hogy a gravitáció miatt a tágulás az idő elteltével lassul – és ha ez nem így van, akkor kell egy olyan energiának léteznie, ami ezt a gyorsulást valamilyen módon előidézi.

A tudósok ezt hívják sötét energiának (nem összekeverendő a sötét anyaggal, amihez azon kívül, hogy mindkettőt a „sötét” jelzővel illetjük, semmi köze). Először az 1990-es években hozakodtak elő az elmélettel, hogy a sötét energia létezik, és a gravitáció ellen dolgozó erőnek tartották – de a legegyszerűbb formájában a sötét energia megegyezik azzal a „kozmológiai állandóval”, amelyet Einstein 1917-ben talált ki, amikor bevezette az általános relativitáselméletbe, hogy megakadályozza az univerzum összeomlását. Később aztán az elméletet elvetette, és a „legnagyobb baklövésének” nevezte.

A sötét energia nevét nyilvánvalóan nem a színéről, hanem arról kapta, hogy egyelőre nem sikerült megtalálni, ismeretlen, „sötét” a tudomány számára. A másik oka, hogy sötétnek hívjuk, az az, hogy a világegyetemben szinte mindent a fény érzékelésén vagy nem érzékelésén keresztül határozunk meg, és a sötét energiát nem látjuk, mivel nem vesz részt az elektromágneses kölcsönhatásban. Számos elmélet létezik arra, hogy tulajdonképpen hol is bújhat meg” és most egy újabb állt be a sorba: egy nemzetközi kutatócsoport szerint a fekete lyukakban rejtőzhet.

Az ő, közvetett megfigyelésen alapuló elméletük az első, ami úgy bizonyíthatná a sötét energia létezését, hogy nem kell hozzá egy új, ismeretlen tényező. A szakma azonban szkeptikus: az új kutatás inkább érdekes gondolatébresztő, mint komoly bizonyíték, és egyelőre nem több, mint egy friss elmélet a sok közül.

Valahonnan energia kerül a rendszerbe, csak nem tudjuk, hogy honnan és milyen

„Az alapkérdés, amire a választ keressük, az az, hogy miért gyorsulva tágul a világegyetem” – mondta a Telexnek Bartos Imre, a Floridai Egyetem Nagyenergiájú Fizikai és Asztrofizikai Intézetének docense. „A tágulás a várakozásokkal ellentétben az utóbbi időben gyorsul – utóbbi idő alatt itt az elmúlt egymilliárd évet értjük. Ha valami gyorsulva tágul, az azt jelenti, hogy valahonnan energia kerül a rendszerbe, és nem tudjuk, hogy ez az energia micsoda. Ezt nevezték el sötét energiának.”

A 20. században kezdtek el rájönni a tudósok arra, hogy a világegyetem nem végtelen idejű és kiterjedésű, az összegyűjtött adatok alapján pedig megszületett az ősrobbanás elmélete. Ez az elmélet az úgynevezett Hubble–Lemaître-törvényen alapul, azon az elképzelésen, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a vöröseltolódása, azaz annál nagyobb sebességgel távolodik tőlünk. A Hubble-állandó tulajdonképpen nem is egy állandó, hanem egy folyamatosan változó paraméter, ami megmutatja az univerzum egyre gyorsuló tágulását.

A Hawaii Egyetem kutatói által vezetett kísérlet most azt próbálta megfejteni, hogy mi lehet a titka ennek az egyre gyorsuló tágulásnak, és a kutatók elképzelése az, hogy a jelenség a fekete lyukakhoz köthető.

„A fekete lyukkal hasonló a helyzet, mint a sötét energiával: amikor arról beszélünk, hogy fekete lyuk, tulajdonképpen nem is egy lyukról van szó. Talán a legközelebbi kifejezés, amivel jól leírható, az a világűr egy gömbszerű alakzata, ahol az anyag olyan sűrű, hogy a gravitáció mindent befelé szív, semmi nem tud kijönni belőle, a fény sem – innen a fekete elnevezés” – mondta Bartos Imre. „Rengeteg a nyílt kérdés vele kapcsolatban, például az, hogy mi lehet a fekete lyukakon belül. Nem jön ki információ, nem tudjuk, pontosan hogyan viselkedik az anyag bennük, van-e ott anyag egyáltalán, vagy minden beesik egy apró pontba, és megsemmisül. Nincs is olyan mérési módszer, amivel ezt meg tudjuk vizsgálni.”

Ismeretlen energia a fekete lyukak belsejében?

A most megjelent – tulajdonképpen két különálló – tanulmány a fekete lyukakkal és sötét energiával kapcsolatos kérdésekre igyekszik választ adni. Az első szerint a fekete lyukak olyan módon gyarapodnak, amit nem lehet könnyen megmagyarázni a szokásos galaxis- és feketelyuk-folyamatokkal, mint például a gázok egyesülésével vagy felhalmozódásával.

„A tanulmány azt mondja: lehetséges, hogy a fekete lyukak belsejében ismeretlen energia oszlik el, ez az energiamennyiség pedig változik a térfogattal. Ebben önmagában nincs semmi érdekes, ami újdonság az elméletükben, az inkább az, hogy szerintük a fekete lyukak viselkedését nem kéne csak a bennük lévő anyaggal magyaráznunk, mert ezek az objektumok nem önmagukban, hanem a világegyetemben léteznek, a világegyetem pedig folyamatosan tágul” – mondta Bartos Imre.

„Nem mondanám, hogy ez teljesen új modell, de valóban egy olyan tényező, amit nem veszünk figyelembe – de könnyen lehet, hogy valójában nem is kell. A tanulmány abból indul ki, hogy más lehet a fekete lyukak kialakulása, viselkedése, a tulajdonsága amiatt, hogy nem üres térben vannak, hanem egy táguló világegyetemben. Az igaz, hogy ennek hatására máshogy kéne viselkedniük, mintha nem tágulna a világegyetem, de ennél egy fokkal azért bonyolultabb a dolog: a fekete lyukak viselkedését ugyanis sokkal inkább meghatározza a közvetlenül körülöttük lévő galaxis, csillagok, és a többi égitest, mint maga a világegyetem.”

Vagyis sokkal inkább azok a körülmények a fontosak, amelyek a fekete lyuk közvetlen közelében találhatók, mint azok, amelyek távolabb. A kutató szerint ha valamit figyelembe akarunk venni, az a közvetlen környezet hatása legyen.

„Ebben a hipotézisben nem veszik figyelembe, hogy a tér azért nem ilyen egyszerűen működik” – tette hozzá. „Ha valami más is befolyásolja a fekete lyukak kialakulását és viselkedését, mint amit klasszikusan ide számolunk, akkor az inkább a közvetlen környezetük lesz, mint a táguló világegyetem.”

Az elmélet egyébként ugyan nem új (már a kutatók is korábban publikálták), de több probléma is van vele. Az egyik az, hogy feltételezi, hogy a fekete lyukakból energia kerül ki, ez viszont nem így van: még akkor, amikor egy ilyen objektum anyagot is nyel el, és némi energia ennek hatására kikerülhet belőle, a képlet eredménye összességében még negatív, nem pozitív. „A másik probléma az, hogy a fekete lyukak sokkal aktívabbak voltak néhány milliárd évvel ezelőtt, mint amennyire aktívak most, hiszen több gáz volt a világegyetemben, amit meg tudtak enni. Ha valóban lenne ilyen összefüggés a fekete lyukak mérete és a sötét energia között, akkor arra lehetne számítani, hogy az összefüggés a múltban jelentősebb volt, mint most, és ez nem így van” – mondta Bartos Imre. A tágulás most gyorsul, a múltban lassabb volt – ezért nem gondolkodnak a fekete lyuk és a sötét energia összefüggésén a kutatók általában.

„A tanulmányban azt mondják, hogy ahogyan a fekete lyukak növekednek, ez szabadít fel energiát, ami szintén kicsit gyanús, hiszen nem csökken a tömegük, hanem növekszik. Az energia-megmaradás nem így működik: a fekete lyukak növekedéséhez és a világegyetem tágulásához is energia kell. Nem tudom megcáfolni az elméletet, csak nekem nem teljesen érthető, hogy miért kellene, hogy így legyen.”

Kozmológiai kapcsolódás a fekete lyukak és a világegyetem között

A kutatók használják a „kozmológiai kapcsolódás” szókapcsolatot is, ez alatt azt értik, hogy ahogy a fekete lyukak növekednek, úgy energiát szabadítanak fel, ami által a világegyetem tágul. A kutatók abból indulnak ki, hogy mivel a fekete lyukak tulajdonképpen a téridő gravitációs torzulásai, nem csak önmagában értelmezhetők, hiszen bele vannak ágyazva egy gyorsulva táguló világegyetembe.

„Szerintük ezt a görbülést nem lehet egymagában vizsgálni, csak úgy, ha figyelembe vesszük, hogy a fekete lyukak körül tágul a világegyetem. A kutatók ezt úgy értelmezik, hogy a tágulás össze van kötve a fekete lyuk tulajdonságaival, és a kettő elválaszthatatlan egymástól, mert ebben a táguló világegyetemben kell megértenünk, ha az egyik változik, a másik is változni fog, kozmológiailag kapcsolódnak” – mondta Bartos Imre. „Ha a fekete lyukak növekednek, akkor a világegyetem is gyorsabban fog nőni.”

Ezt a kozmológiai kapcsolódást a kutatók korábban publikálták, az igazán új most az, hogy ezt megpróbálták megfigyelési kutatással is alátámasztani. Csakhogy a fekete lyukak változásait nem olyan egyszerű megfigyelni, hiszen nem a rövid-, hanem hosszútávú változások az érdekesek.

„Nem tudunk egy fekete lyukat követni nyolcmilliárd éven keresztül, ezért a kutatók statisztikai szempontokat hívtak segítségül: először is, megnézték, hogy a galaxisokban mekkorák ezek az objektumok. Kétfélét ismerünk belőlük nagy vonalakban: az egyik fajta egy halott csillag végterméke, a másik pedig a galaxisok közepében lévő úgynevezett szupermasszív fekete lyuk. Az első fajta fekete lyukak csak néhányszor annyi súlyúak, mint a mi Napunk, a galaxisok közepében lévők pedig sokkal nagyobbak, akár milliárdszor akkorák, óriási különbség van a kettő között. A kicsi fekete lyukakat nem könnyű megfigyelni, főleg nem hosszú időn keresztül, a nagyoknál viszont erre van lehetőség, meg tudjuk mérni a tulajdonságait – méghozzá úgy, hogy a fekete lyuk tömege szorosan összekapcsolódik a galaxis más tulajdonságaival. Minél nagyobb például a fekete lyuk, annál gyorsabban mozognak a csillagok a galaxisban.”

A kutatók összehasonlították a fiatal galaxisok középpontjában található fekete lyukak tömegét az óriási, de csillagképződés nélküli öreg galaxisok fekete lyukainak tömegével. A fiatalabb galaxisokban a fekete lyukak a közeli csillagok és egyéb anyagok elnyelésével növekedhetnek, de a régebbi galaxisokban már alig van lehetőség erre.

„Az az alapötlet, hogy ha a fekete lyukak és a világegyetem tágulásának gyorsulása összefüggésben áll egymással, akkor a tágulás mértéke függ a fekete lyukak számától, és ami még inkább fontos: a tágulással a fekete lyukak maguk is változnak. Azt állítják, ha semmi más változót nem nézünk, csak a fekete lyukat egy üres térben, és a világegyetem tágul körülötte, akkor a fekete lyuk tömege arányosan fog növekedni a világegyetem méretével. Ha, tegyük fel, a világegyetem kétszeresére tágul, akkor a megfigyelt fekete lyuk is a duplájára nő.”

„A megfigyelés során az a probléma adódhat, hogy ugyan növekedhet a fekete lyuk a tér tágulásával, de úgy is, hogy megeszi a körülötte lévő objektumokat, csillagokat, gázt, más fekete lyukakat.”

„Rengeteg módja van, hogy ezek a fekete lyukak növekedjenek. Abban semmi meglepő nincs, hogy ezek az objektumok az idő elteltével növekednek. Ahhoz, hogy ezt a hatást kiszűrjék, olyan galaxisokat néznek, amelyekről azt feltételezik, hogy nem lesz ilyen folyamatok által növekedés: nincs bennük gáz, nem ütköznek más galaxisokkal. Az így kiválasztott galaxisoknál is azt látják, hogy a tömeg növekszik, és ebből azt a következtetést vonják le, hogy ez a növekedés nem a hagyományos növekedési folyamatok eredménye, hanem a kozmikus csatolásé.”

Elméletnek izgalmas, de a szakma szkeptikus

Ezek a fekete lyukak pedig pontosan úgy növekednek, ahogy az új elmélet szerint kellene nekik: ha megnézik a kutatók a világegyetem tágulásának ütemét, és ez alapján kiszámolják, mekkorának kellene lenniük ezeknek a fekete lyukaknak, akkor azt kapják, hogy pontosan akkorának, amekkorának megfigyelik őket, és olyan ütemben is növekednek.

„Erre azt mondanám, hogy obszervációs alátámasztása az elméletnek. Nehéz vele vitatkozni olyan szempontból, hogy nem tudjuk, mi történik ezekkel a galaxisokkal – olyan szempontból viszont lehet, hogy ők sem tudják, mi történik ezekkel a galaxisokkal”

– mondta Bartos Imre. „Ha azt jósolnák, hogy a fekete lyukak tömege csökkenni fog, és tényleg azt is látnák, akkor az sokkal erősebb bizonyíték lenne, hiszen más folyamatok nem csökkenthetik érdemben a tömeget. A növekedés viszont millió más módon megtörténhet.”

Az még megerősítheti a kutatók elméletét, hogy valóban egyszerű magyarázatot kínál a világegyetem gyorsuló tágulására: hiszen a fekete lyukak száma folyamatosan növekszik, és ha egyre több, sötét energiát árasztó fekete lyuk növekszik, az egyre gyorsuló világegyetemet is jelent. „Ha van egy ilyenfajta táguláserősítő hatása a fekete lyukaknak, akkor a tágulásnak gyorsulnia kell idővel, hiszen egyre több fekete lyuk van. Ebből kiszámolják, hogy ha nagyjából megbecsüljük a csillaghalálozások alapján, hogy régen mennyi fekete lyuk volt egy adott időben, akkor nagyjából azt kapják, hogy akkor növekedett meg nagyon jelentősen a fekete lyukak száma, amikor a tágulás elkezdett felgyorsulni. Ez a másik obszervációs alátámasztásuk. Viszont nem látszik ezen a ponton, hogy a két jelenség között lenne ok-okozati kapcsolat, egyelőre csak korrelációt tudnak felmutatni. Mindenesetre ez egy érdekes jelenség.”

A forgó fekete lyukak árulkodhatnak

A kutatók különböző módszereket is felsorolnak ahhoz, hogy ezeket a megfigyelési eredményeket lehessen igazolni. „Én ezek közül egyet, a számomra legérdekesebbet emelném ki: az elmélet azt mondja, hogy a fekete lyukak folyamatosan növekednek, méghozzá egyre gyorsabban, a világegyetem tágulásával egy ütemben.”

A csillagokból kialakult fekete lyukak tömegének ugyanis van egy felső határa, mégpedig azért, mert a legnehezebb csillagok csak felrobbannak, nem hoznak létre semmilyen végterméket maguk után. Ez a felső tömeg nagyjából ötvenszer akkora, mint a Napunk tömege.

„A LIGO és Virgo gravitációs hullámok detektorokkal viszont megfigyeltünk ennél nehezebb fekete lyukakat is, tehát sejtjük, hogy ezt a határt valahogyan át lehet lépni. Előfordulhat, hogy ez a világegyetem tágulásának következménye. De én azt mondanám, hogy ez nem ilyen egyszerű, mert más oka is lehet ennek. Az egyik ok, amire mi gondolunk, az az, hogy a fekete lyukak ütköznek egymással, és valami mással is, ez a többszörös ütközés pedig tetszőleges tömeget tud létrehozni. Ez lehet az oka annak, hogy vannak ilyen szupermasszív fekete lyukak is.” A kutató szerint ha ez így van, akkor annak lesz más jele is, mint egyszerűen a tömegnövekedés, méghozzá az, hogy máshogy fog forogni az ütközés által létrejött fekete lyuk.

„Ha két fekete lyuk összeütközik, akkor az így keletkező objektum nagyon gyorsan fog forogni. A LIGO-ban a gravitációs hullámok segítségével azt látjuk, hogy az alacsony tömegű fekete lyukak nem forognak gyorsan, a nagy tömegű fekete lyukak viszont igen. Ez nem cáfolat, de abba az irányba mutat, hogy lehet egy ilyenfajta előzetes ütközés. Ha a világegyetem tágulna, és csak ez lenne az oka ennek a nagy tömegnek, akkor arra számítanánk, hogy ugyanolyan lesz a forgási sebessége a kis tömegű és a nagy tömegű fekete lyukaknak is, mert a növekedés nem befolyásolja a forgást. Csak ez alapján azt mondanám, hogy valószínűbb, hogy ez egy korábbi ütközés eredménye, mint egy kozmikus csatolásé.”

Hogyan lehet mégis tovább vinni az elméletet, hogy igazolni vagy cáfolni lehessen? Elsősorban abban az irányban kellene elindulni, amik könnyebben vizsgálhatók: például arra, hogy a világegyetem tágulási sebessége a fekete lyukak számával arányos, vagy hogy a fekete lyukak korai és késői tömege pontosan úgy növekszik, ahogyan azt a világegyetem tágulásának üteméből kiszámítanák.

„Ha itt könnyebben meg lehetne érteni, akár mérésekkel, akár számolásokkal, hogy milyen más hatások lehetnek, amik ezt befolyásolják, az nagyon sokat segíthet. Mindegyik lépésben van potenciális bizonytalanság, jobban meg kell érteni, hogy ténylegesen ki tudjuk zárni az összes többi lehetőséget.” Ha ez sikerül, és ki lehet például zárni azt, hogy a fekete lyukak tömege más okokból is növekedhet, nem csak a táguló világegyetem miatt, az megerősítené az elméletet, és felemelné a komolyabb teóriák közé – egyelőre azonban a szakma nagy része szkeptikus, és érdekes gondolatkísérletként kezeli a fekete lyukban rejtőző sötét energiát.

Ami sokat fog dobni a sötét energia kutatásán, az a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) űrdetektor lesz: ez az eszköz az egymás körül keringő szupermasszív fekete lyukakat fogja mérni. Ha a kozmikus kapcsolódás valóban létezik, akkor a LISA méréseivel néhány év alatt meg fogjuk tudni mondani, hogy változott a tömegük, vagy sem. Az űrtávcső a hosszú periódusú, nagyobb hullámhosszú jelekre lesz érzékeny, míg a földi detektorok (pl. LIGO) a rövidebbekre, de nagyjából ugyanazon az elven működnek majd: gravitációs hullámok segítségével próbálják megfejteni az univerzum még ismeretlen titkait. Erre az egy kérdésre, hogy vajon az új tanulmányokat jegyző kutatóknak igazuk van-e, valószínűleg a következő 15 évben elég biztos választ fogunk tudni adni.