Einstein már száz éve tudott mindent a világegyetemről

Interjú2019. máj 5.Palugyai István

Az idei év legnagyobb csillagászati szenzációját, az első fekete lyukról készült képet nagyságában a pár évvel ezelőtti felfedezéshez lehet hasonlítani, amikor első ízben sikerült igazolni a gravitációs hullámok létezését. Az akkori széleskörű nemzetközi tudományos összefogás magyar résztvevőinek vezetője, Frei Zsolt, Széchenyi-Díjas fizikus, az ELTE Fizikai Intézetének vezetője a két jelentős eredmény kapcsolatáról is beszámolt.

A kulcsszó Einstein?

Egyrészt Einstein neve köti össze mindkét felfedezést, hiszen a zseniális tudós jövendölte meg elméletben mind a gravitációs hullámok, mind a fekete lyukak létezését.

Ráadásul mindkét esetben voltaképpen fekete lyukakról van szó, hiszen a 2015-ben „elcsípett” gravitációs hullámok két fekete lyuk összeolvadásából keletkeztek, míg most is egy fekete lyuk környezetéről sikerült képet készíteni. Einstein, gondolatkísérleteken alapult elmélete hajdan még nagyon valóságtól elrugaszkodottnak tűnt. Az általános relativitás elméletének egyenletéből levezethető fekete lyukról ma már tudjuk, hogy olyan nagy sűrűségű benne az anyag, hogy gravitációja még a fény fotonjait is rabságba ejti. Einstein voltaképpen fordítva dolgozott, mint a fizikusok többsége, akik egy kísérleti megfigyelésből vezetik le az elméleteiket. Itt nem volt magyarázatra szoruló megfigyelés, kísérleti tény. Az idő mégis őt igazolta, hiszen közvetett módon már a múlt század hatvanas éveiben világossá vált a fekete lyukak és a tér hálójának fodrozódásaként elképzelt gravitációs hullámok létezésének szükségessége. Ez utóbbiakat sikerült végül 2015 szeptemberében kimutatni.

A kísérleti technikák tökéletesítése végül elvezetett a mostani sikerhez is, a fekete lyuk „lefényképezéséhez”.

Lefényképezni persze egy fekete lyukat nem lehet. De ha létre tudunk hozni egy kellően nagyfelbontású képet, akkor a fekete lyukba belehulló és ettől felizzó gázok – s ezt Einstein szintén megjövendölte az elméleteiben - a gravitációs lencsehatás miatt meghajlott korong módján félholdszerűen lesznek észlelhetők és ez történt most. Persze maga a fekete lyuk közepe fekete marad, mert onnan nem szökik ki semmilyen fény. A kulcs tehát a távcső felbontásának nagysága volt, és az, hogy alapesetben nem tudjuk, hogy merre vannak a fekete lyukak.

Ha jól tudom, a nagy galaxisok központjában mindig rejtőzik egy…

Így van, a Tejútrendszerünk közepén is és a most lefényképezett Messier 87-esnek nevezett, viszonylag közeli csillagrendszer központjában is létezik egy, úgynevezett szupernehéz fekete lyuk. Meg is figyelhetők körülöttük a keringő csillagok, s tudjuk, hogy az ellipszis alakú pályák fókuszpontjában lapulhat egy-egy fekete lyuk, de ezt eddig nem tudtuk felvétellel bizonyítani. Persze a Világegyetemben máshol is lehetnek ilyen képződmények, csak azoknak a helyét feltételezni sem tudjuk. Amúgy mindkét említett galaxis fekete lyuka nagyon távol van tőlünk és egyetlen akkora felbontású távcsővel nem rendelkezünk, amely ezeket képes lenne „lekapni”.

Most mégis sikerült ilyen nagy felbontású teleszkópot készíteni, s ez is összeköti a három évvel ezelőtti sikert a mostanival, ugyanis mindkettőnél óriási nemzetközi együttműködésre volt szükség.

Az M 87-es fekete lyuk olyan picinek látszik tőlünk, mint az előttünk lévő papíron a mondat végére tett pont a Holdról nézve.

Ennek láttatásához elképzelhetetlenül nagy felbontás kellett. Esetünkben maga a Föld átmérője szolgált virtuálisan a rádióhullámokkal működő távcső átmérőjeként. Ehhez a Föld különböző pontjain működő rádiótácsöveket, mint egy óriási teleszkóp részeit kötötték össze. A körülötte keringő csillagok mozgásának sebességéből, a pályájuk nagyságából a Kepler-törvények alapján a fekete lyuk tömegét is ki lehet számolni, így teljesen pontosan tudni lehetett, hogy ez a felbontás vezethet majd el a keresett képhez.

Állítólag a Tejútrendszer fekete lyukánál ez több ezerszer nagyobb.

A „mi” fekete lyukunk négymillió Naptömegű, de vannak ezerszer nagyobbak is és a relativitás elmélet egyenleteinek segítségével ki lehet számolni annak az eseményhorizontnak, vagyis magának a fekete lyuknak az átmérőjét, ahonnan már nem szökik ki semmi.

Így lehetett az amerikai alapkutatást támogató szervezetnek, a National Science Foundation-nek azt mondani, hogy ennyi és ennyi pénzt adjatok, mert ezt szeretnénk elvégezni a siker eléréséhez.

Vajon miért érdekli ennyire az embereket egy ennyire elvont, távoli dolog? Miért olyan nagy a fekete lyukakról szóló hírek szenzációértéke?

Egyrészt a fizikában csodálatos, hogy egy tudós fejéből kipattant egyenletnek hihetetlennek tűnő megoldásai lehetnek, s ha azokat elkezdjük kísérletileg ellenőrizni, azok igaznak bizonyulnak.

Másrészt az iszonyú pici helyre koncentrált végtelen sűrűséget nehezen tudjuk elképzelni. Az emberiséget elragadja, hogy néhány kilométernyi területen ott van az egész nap tömege. Ráadásul mivel onnan semmilyen sugárzás nem szökik ki, érthető, hogy megpróbálunk valahogy, közvetett módon tanulmányozni egy ilyen objektumot.

Jó, jó, de mi van egyáltalán a fekete lyuk belsejében?  

Ez, az, amit ma sem tudunk. A fizikai tudásunk megáll itt. Ezért is izgalmas ez az átlagemberek és a fizikusok számára, mert ezt végképp nem lehet tanulmányozni. Ha bárki odautazna, lehet, hogy átlép az eseményhorizonton és még nem szakad szét az erős gravitációtól és beljebb esik, esetleg tanulmányozhatja, hogy  ott mi van, de soha nem fog visszajönni és erről beszámolni.

Lehetnek további következményei ennek a felfedezésnek? Például a kisebb, kósza fekete lyukak lekapása?

Nagyon sok kisebb fekete lyuk keletkezik a szupernovarobbanások után, egy-egy csillag életének végén. Ezek szétszórtan helyezkednek el a galaxisokban, de ezek helyét végképp nehéz megtalálni.  

Az elhelyezkedésükre, különösen, ha csillagászati mértékkel közel vannak, nem lehet következtetni a vonzó hatásukból?

Ilyen erős vonzó hatás nincs. Egy csillag felrobbanása után az anyagának öt százaléka, tehát a huszadrésze marad ott a fekete lyukban. Egy száz Naptömegű, a lehető legnagyobbnak számító csillag esetén öt naptömegű fekete lyuk marad hátra. És miután a legközelebbi csillag is négy fényévre van tőlünk, így jelentős gravitációs hatással nem számolhatunk. Az égen az oldalirányú mozgásokat amúgy sem lehet megfigyelni, így a csillagmezőket figyelve a pozíciók változásából lehetetlen egy-egy fekete lyuk helyére következtetni.

Ezt a felfedezést már két éve rebesgették. Van-e valami hasonlóan „nagy dobás” most az asztrofizikusok, csillagászok tarsolyában?

A Nobel-Díjat ért felfedezést tevő LIGO gravitációs hullám obszervatórium, amelynek a csapatában dolgozunk a csoportommal 2007 óta, épp most április elsején indult újra. A harmadik megfigyelési szakasztól már egyre nagyobb számú jelet várunk, sőt már az azóta eltelt hetekben is észleltünk ilyen térfodrozódásokat.

Tíz év múlva az űrbe is ki akarunk helyezni egy gravitációs hullám detektort, ami a méreténél fogva épp a galaxisok közepében lévő szupernehéz fekete lyukak összeolvadását tudja majd kiválóan észlelni.

Egy, a chilei Atacama sivatagba tervezett 8,5 méteres óriás távcsővel pedig 2021-től olyan égbolt-térképezést indítanak, ami háromnaponta az egész égboltot egyszerre sok színképtartományban tudja majd lefényképezni és ettől a tíz évig tartó munka után a csillagászok eddig megfigyelhetetlen időbeli változások észlelését remélik.