FEKETE LYUKAK

Még a II-es típusú szupernóvák esetében sem föltétlenül neutroncsillagok jönnek létre.

Oppenheimer, amikor 1939-ben kidolgozta a neutroncsillag elméletét, azt is megvizsgálta, milyen következményekkel járhat, ha a csillag tömege növekszik. A tömegnövekedéssel együtt természetesen a csillag gravitációs térereje is megnő. Ha meghaladja a Nap tömegének 3,2-szeresét, a gravitációs tér annyira erős lesz, hogy még az érintésnyi közelségben levő neutronok sem képesek ellenállni a tér által kifejtett nyomásnak. A neutronok összeroppannak, a neutroncsillag összehúzódik és egyre sűrűbbé válik; ezáltal a kicsiny csillag környezetében a gravitációs tér még erősebb lesz, és az összehúzódás még gyorsabban folytatódik.

Ha egyszer a neutronok összeroppantak, akkor semmilyen ismert erő sem állíthatja meg az összehúzódást - gondolta annak idején Oppenheimer, és a mai tudósok is ezen a véleményen vannak. Arra kell tehát következtetnünk, hogy a sűrűsödés határtalanul folyik tovább, úgyhogy a csillag a nulla térfogathoz és a végtelen nagy sűrűséghez közeledik. Ezt ne úgy értsük, hogy mind kisebb és kisebb méretű, ugyanakkor egyre nagyobb és nagyobb sűrűségű neutroncsillaggal lesz dolgunk. Az összehúzódás következtében alapvető változás áll be.

Hogy ennek a mibenlétét megérthessük, képzeljük el, hogy a Föld felszínéről feldobunk egy tárgyat! Miközben fölfelé halad, a Föld gravitációs tere állandóan vissza, lefelé húzza. Emiatt a fölfelé irányuló sebesség folyvást csökken. Végül a tárgy elérkezik egy holtpontra, és a következő pillanatban lefelé kezd esni.

Ha a Föld gravitációs térereje a fölfelé vivő úton végig egyforma volna, akkor teljesen mindegy lenne, hogy mekkora a földobott tárgy kezdősebessége. Végül is 100 méter vagy 100 kilométer vagy 100 000 kilométer után a sebesség nullára csökkenne, a tárgy pedig elkezdene visszafelé esni a Földre.

Csakhogy a gravitációs tér fölfelé haladva nem állandó, hanem a Föld középpontjától mért távolság négyzetével arányosan gyengül.

A Föld felszínén lévő tárgy 6370 kilométerre van a középponttól. Ha 6370 kilométer magasságban van a felszín fölött, akkor a középponttól mért távolság ennek a duplája, a Föld gravitációs terének erőssége pedig a felszíninek egynegyede, s a magasság növekedtével ugyanígy csökken tovább. A Hold távolságában a Föld gravitációs térereje már 3500-szor kisebb, mint a felszínen.

Ha egy tárgyat elég nagy sebességgel lövünk föl, akkor - úgymond - le tudja győzni a gravitációs teret. Ez ugyan lassítani fogja, de miközben nagy sebességgel emelkedik, a tér olyan rohamosan gyengül, hogy az egyre kisebb gravitációs vonzás sohasem bírja nullára csökkenteni a fölfelé irányuló sebességet. így a tárgy ki tud szökni a Föld gravitációs teréből, és akár vég nélkül vándorolhat a világegyetemben. Ettől még persze megmarad egy másik, a Földnél nagyobb tömegű objektum (vagyis a Nap) fogságában, vagy vándorlása során összeakadhat egy másik testtel, amellyel aztán vagy összeütközik, vagy pályára áll körülötte.

Azt a legkisebb sebességet, amellyel egy, a Föld felszínéről induló tárgy éppen hogy megszökhet a gravitációs térből, szökési sebességnek hívjuk. A Föld esetében ez a szökési sebesség 11,2 kilométer/másodperc.

Egy nagyobb tömegű, következésképp erősebb gravitációs térrel rendelkező égitest természetesen nagyobb felszíni szökési sebességet követel meg. A Jupiteren ez az érték 60,5, a Nap esetében pedig 617 kilométer/másodperc.

Ha egy csillag összehúzódik, felszínén a gravitációs tér annál erősebbé válik, minél közelebb kerül a felszín a középponthoz, még akkor is, ha az össztömeg eközben nem változott meg. A csillagászok által elsőként vizsgált fehér törpének, a Szíriusz B-nek a tömege például hozzávetőleg ugyanakkora, mint a Napé, de a felszíne sokkal közelebb van a középpontjához. A Szíriusz B felszíni gravitációja ezért sokkal erősebb, a felszíni szökési sebessége pedig körülbelül 4900 kilométer/másodperc.

Minél nagyobb valamely égitest esetében a szökési sebesség, annál nehezebben szökhet meg róla bármi is, és annál kisebb a valószínűsége, hogy ezt valami tényleg meg fogja tenni.

Az utóbbi negyedszázadban rakétáink sebessége elég nagy lett ahhoz, hogy elhagyhassuk a Föld gravitációs terét, de ha bolygónk felszíni gravitációja valamiképpen a Jupiterére növekedne, akkor (eltekintve most az ezzel járó egyéb kényelmetlenségektől) technikai szakértelmünk azonnal csődöt mondana az űrrakéták fölbocsátásában.

Egy, a Napéval egyenlő tömegű neutroncsillagon a szökési sebesség körülbelül 200 000 kilométer/másodperc. Ezen a ponton nem egyszerűen mai technikánk elégtelen bárminek a fölbocsátásához, hanem ez szinte teljesen lehetetlen. Az egyedüli objektumok, amelyek normális esetben elég gyorsan mozognak ahhoz, hogy képesek legyenek elhagyni egy neutroncsillagot, a piciny tömegű vagy tömeggel egyáltalán nem is rendelkező nagyenergiájú részecskék. A nagyenergiájú elektronok és a neutrínók bírnak megszökni, valamint a fényt és a hasonló sugárzásokat alkotó fotonok.

Ha egy neutroncsillag összeroppan, a gravitációs erő korlátlanul növekszik, és a szökési sebesség is egyre nagyobb lesz. Egy ponton ez utóbbi eléri a 300 000 kilométer/másodpercet. Ennyi a fény terjedési sebessége vákuumban, és mint a német fizikus, Albert Einstein (1879-1955) 1905-ben bebizonyította, ez az egyáltalában elérhető legnagyobb sebesség. Ezt egyetlen tömeggel rendelkező dolog sem tudja elérni, és még a fénysebességgel haladó tömeg nélküli részecskék sem léphetik túl ezt az értéket.

Ez azt jelenti, hogy miután az összeroppanó neutroncsillag elérte ezt az állapotot, már semmi sem távozhat róla (kivéve bizonyos nagyon különleges körülményeket, amelyek most nem kell hogy érdekeljenek bennünket). Ha valami összeütközik vele, az úgy viselkedik, mint ami egy végtelenül mély lyukba esett, amelyből sohasem tud ismét kiemelkedni. Még a fény sem szökhet meg róla. John Archibald Wheeler (1911- ) amerikai fizikus fekete lyuk néven írta le az ilyen objektumot, s ez az elnevezés egy csapásra átment a köztudatba.

Mindebből az következik, hogy ha egy szupernóva összehúzódó magjának tömege több mint 3,2-szer nagyobb a Nap tömegénél, akkor az keresztülrohan a fehértörpe- és a neutroncsillag-állomásokon, és a fekete lyuknál köt ki.

Így a II-es típusú szupernóvák, bár gyakran neutroncsillagot eredményeznek, ugyancsak gyakran válnak fekete lyukakká. Mivel tehát neutroncsillag csak az egyik típusú szupernóvából jön létre, és még abból sem mindig, nem csodálható, hogy kevesebb pulzár van, mint amennyit a szupernóvák száma alapján várnánk.

A fekete lyukak és a neutroncsillagok között van egy gyakorlati szempontból nagyon fontos különbség: a fekete lyukakat szinte lehetetlen észrevenni.

Egy neutroncsillagot elég könnyű kimutatni az általa kibocsátott sugarak révén. Egy fekete lyukról viszont nem mondható el, hogy bármit is kibocsátana - még sugárzást sem. A szokásos technikák, amelyekkel más csillagászati objektumokat észlelünk, egy magában álló fekete lyuk esetében egyszerűen csődöt mondanak.

Egy magányos fekete lyukat csak abban az esetben vagyunk képesek észlelni, ha elég közel van, vagy elég nagy tömegű ahhoz, hogy gravitációs hatást gyakoroljon ránk, vagy éppenséggel mindkettő fönnáll egyszerre. Elméletileg akár az egész Galaktika tele lehet hintve milliónyi, a közönséges csillagokkal egyező tömegű fekete lyukakkal anélkül, hogy erről tudomást szereznénk.

Ha magából a fekete lyukból nem is, az objektum szomszédságából mégiscsak jöhet sugárzás. Egy fekete lyuk sosem igazán magányos. Mindig van a közelében anyag, ha egyéb nem, hát a csillagközi térben bár gyéren, de azért megtalálható atomok és porfoszlányok. A fekete lyukhoz közeledő anyag, még ha csak apró darabonként is, akkréciós koronggá állhat össze körülötte. Lassan-lassan ez az anyag spirálisan leereszkedik a fekete lyukba, és röntgenhullámok formájában szinkrotronsugárzást bocsát ki.

De ha egy fekete lyukat csupán a csillagközi anyag veszi körül, az általa kibocsátott röntgensugárzás annyira gyönge, hogy alig vagy egyáltalán nem észlelhető, és nem nyújt számunkra hasznosítható információt.

Tételezzük föl azonban, hogy a fekete lyuk egy bőséges anyagforrás közelében helyezkedik el, amelyből folytonosan nagy anyagtömegek áramlanak át hozzá spirális pályán! Ez a folyamat erős röntgensugárzást termel. Pontosan ez játszódik le egy szoros kettős-csillag esetében, amely nóvát vagy akár I-es típusú szupernóvát eredményez, ha az egyik partner fehér törpe.

Ha ez a partner fekete lyuk, akkor a robbanás természetesen nem is kérdéses. A fekete lyuk, ahogy az anyagot nyeli, egyre nagyobb tömegű lesz, mivel tömegének nincs felső határa. A beérkező anyag azonban, ahogy a fekete lyuk nő, állandóan röntgensugárzást bocsát ki - s ezt az égbolt egy olyan pontjáról kapjuk, ahol egyébként semmit sem lehet látni.

Így fordult a csillagászok érdeklődése a röntgensugár-források felé.

1971-ben az „Uhuru” röntgensugár-figyelő mesterséges hold erős röntgenforrást talált a Hattyú csillagképben. Ennek szabálytalan változása kizárta azt, hogy neutroncsillagról lenne szó, inkább egy fekete lyukra engedett következtetni.

A csillagászok erre a forrásra összpontosították a figyelmüket, és mikrohullámú kisugárzást észleltek, amelynek a helyét is hajszálpontosan megállapították. A sugárzás forrása annak a látható csillagnak a közvetlen közelében volt, amely HD-226868 néven szerepel a katalógusokban. Ennek a nagyon nagy, forró, kékes csillagnak körülbelül harmincszor akkora a tömege, mint a mi Napunknak. A közelebbi vizsgálat során kettőscsillagnak bizonyult 5,6 napos keringési periódussal. A pálya jellegéből megállapítható, hogy a kettős másik tagja a Napnál ötször-nyolcszor nagyobb tömegű.

Ez a társcsillag azonban, bár erős röntgenforrás, láthatatlan. Ha nem látható, akkor igen-igen kisméretűnek kell lennie. Mivel ahhoz túl nagy a tömege, hogy fehér törpe vagy neutroncsillag lehessen, arra kell következtetnünk, hogy ez a láthatatlan csillag nem más, mint egy fekete lyuk.

A HD-226868 továbbá tágulni látszik, mintha vörös óriássá kezdene válni. Nagyon valószínű ezért, hogy anyaga a kísérőjébe, a fekete lyukba áramlik át, és a fekete lyuk körüli akkréciós korong termeli a röntgensugarakat.

Ha föltesszük, hogy a HD-226868 kísérője egy fekete lyuk (erre egyelőre csak közvetett bizonyítékunk van), akkor nem lehet kétséges, hogy egy hajdani szupernóva maradványa.