Rejtélyes fekete lyuk maradvány érhette el a Földet

Egy elképesztően erős és a világűr mélyéről érkezett neutrinó miatt kapkodják fejüket az asztrofizikusok. Az idén februárban detektált részecske ugyanis ellentmond mindannak amit eddig a neutrinókról tudtunk. A rendkívül szokatlan neutrinó lehet a bizonyíték arra, hogy Stephen Hawkingnak mégiscsak igaza volt a fekete lyukak és a korai univerzum természetéről - állítja egy friss kutatás.

Egy fekete lyuk és a körülötte lévő akkréciós korong - az eseményhorizont határa - művészi ábrája Fotó: Wikimedia Commons/ESA/Hubble

Kísérteties részecske bizonyíthatja Hawking igazát

Stephen Hawking, a világhírű kozmológus és elméleti fizikus öt évtizede publikálta azt a tudományos körökben nagy port felvert hipotézisét, miszerint az ősrobbanás valósággal"elárasztotta" az univerzumot apró fekete lyukakkal.

Egy fekete lyuk művészi ábrája   Fotó: Wikimedia Commons/NASA/D. Berry 

A fekete lyuk a téridő olyan tartománya, ahonnan az erős gravitáció miatt semmi, még a fény sem képes távozni. A fekete lyuk eseményhorizontja mögött nincs hagyományos értelemben vett égitest, nincs belső szerkezete, kifelé csak a tömege, töltése és a perdülete nyilvánul meg. A fekete lyukak létét Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg. Nagy tömegű csillagok szupernóva-robbanása után a gravitációs összeomlásban az anyagot összehúzó gravitációs erő minden más anyagi erőnél nagyobb lesz és az anyag egyetlen pontba húzódik össze. Ebben a pontban, a gravitációs szingularitásban bizonyos fizikai mennyiségek, mint a sűrűség vagy a téridő görbület végtelenné válnak.

Egy kutatócsoport úgy véli, hogy most megtalálták azt a bizonyítékot, ami alátámaszthatja Hawking elméletét. 2025. februárjában a KM3NeT európai együttműködés – amely Franciaország, Olaszország és Görögország partjainál a víz alatt elhelyezett detektorokból álló megfigyelő platfrom –,  egy elképesztően erős neutrínó felfedezését jelentette be.

A neutrínó a leptonok közé tartozó könnyű elemi részecskék egyik fajtája.A részecskék világában nem jelentős gravitációt kivéve csak gyenge kölcsönhatásokban vesz részt, erős kölcsönhatásban nem mutatható ki.

Ennek a kísérteties részecskének az energiája körülbelül 100 PeV volt, vagyis több mint 25-ször nagyobb, mint a a világ legerősebb részecskegyorsítójában, Nagy Hadronütköztetőben felgyorsított legerősebb részecskék energiája. 

Albert Einstein az általános relativitáselméletével  többek között a fekete lyukak létezését is megjósolta   Fotó: Wikimedia Commons

A felfedezés óta a fizikusok lázasan igyekeznek magyarázatot találni a mindeddig unikális neutrinó eredetére. Egy kutatócsoport az arXiv adatbázisába feltöltött és eddig még nem ellenőrzött tanulmányában meglepő hipotézissel állt elő az extrém neutrinó eredetével kapcsolatban; a publikációt jegyző tudósok szerint a detektált neutrinó egy párolgó fekete lyukból származó részecske.

Atomnál is kisebb párolgó fekete lyukak

Az 1970-es években Stephen Hawking rájött, hogy a fekete lyukak mégsem tekinthetők a téridő abszolút csapdáinak. Hawking szerint ugyanis a fekete lyukak az eseményhorizontjaik és a téridő kvantummezői között fennálló kölcsönhatások révén lassú, de állandó sugárzást bocsátanak ki. A Hawking-sugárzás leegyszerűsítve azt jelenti, hogy a fekete lyukak idővel elpárolognak és teljesen eltűnnek.

A Hawking-sugárzás egy olyan elméletileg megjósolt de eddig még nem bizonyított feketetest-sugárzás, ami a fekete lyukak eseményhorizontjának közelében jön létre kvantummechanikai jelenségek miatt. A Hawking-sugárzás miatt csökken a fekete lyuk energiája és tömege, ezt a jelenséget hívják a fekete lyuk párolgásának.

Valójában, ahogy a fekete lyuk egyre kisebbre zsugorodik, ezzel arányosan még több sugárzást bocsát ki mindaddig, amíg fel nem robban a nagy energiájú részecskék - mint amilyen a KM3Net kollaboráció által észlelt neutrínó -, és sugárzások tűzviharában - állítják a tanulmány szerzői, akiket a Live Science tudományos hírportál idéz.

Stephen Hawking szerint az ősrobbanás után a korai univerzum kaotikus szakaszában rengeteg apró fekete lyuk keletkezett        Fotó: Wikimedia Commons/NASA/Paul. E. Alers

Az eddig ismert fekete lyukak rendkívül nagy tömegűek, éppen ezért még a legkisebb fekete lyuk elpárolgása is jóval több mint 10^100 évbe telne. Ha a KM3Net neutrínója valóban egy felrobbant fekete lyukból származik, akkor 

e fekete lyuk a jelenleg ismert "normál" fekete lyukakkal összehasonlítva elképesztően kicsi lehetett; a kutatók számítása szerint egy atomnál is kisebb térfogatú de legalább 10 ezer kilogramm tömegű entitásként. 

Az ennyire apró fekete lyukak keletkezésének egyetlen lehetséges módja csak az ősrobbanás utáni korai kaotikus eseményekre vezethető vissza. Hawking szerint az ősrobbanás rengeteg "őseredeti" apró fekete lyukkal árasztotta el a fiatal univerzumot. E miniatűr fekete lyukaknak az ősrobbanás időpontjához - megközelítőleg 13,8 milliárd évhez - képest már el kellett párologniuk, ezzel szemben a nagy tömegű fekete lyukak jelenleg is léteznek.

Ez lehet a magyarázat a titokzatos sötét anyag eredetére?

Egy mindössze 10 ezer kilogramm tömegű miniatűr fekete lyuk a modellszámítások szerint nem maradhatna fenn az ősrobbanástól napjainkig. A szerzők szerint azonban létezhet egy olyan további kvantummechanizmus – az úgynevezett „memóriaterhelés”- is, ami lehetővé teszi a fekete lyukak számára, hogy ellenálljanak a Hawking-sugárzás következtében beálló párolgásnak. E hipotetikus kvantummechanizmus lehetővé tenné, hogy akár egy ultra kicsi, alig 10 ezer kilogramm tömegű és egy atomnál is kisebb fekete lyuk évmilliárdokig fennmaradjon mielőtt felrobbanna, miközben nagy energiájú neutrínókat sugározhat ki, akár a Föld irányába is. 

Az NGC 7052 elliptikus galaxis középpontjában lévő, 300 millió naptömegű, szupermasszív fekete lyuk és a körülötte lévő akkréciós korong a HST felvételén   Fotó: Wikimedia Commons/NASA/University of Washington

A tanulmányt jegyző kutatók szerint ezek az ős fekete lyukak az univerzum legnagyobb részét kitevő rejtélyes sötét anyag eredetére is magyarázatot adhatnak. 

Ha az ehhez a tömegtartományhoz tartozó apró ős fekete lyukak rendkívül nagy mennyiségben jöttek létre az ősrobbanást követő korai univerzumban úgy, ahogyan azt Hawking elmélete állítja, ez a feltételezett bőség elegendő lehet az összes sötét anyag lefedésére - állítják a kutatók. Ha a hipotézisük igaz, akkor a KM3NeT projektnek a következő néhány évben újabb extrém energiájú neutrínókat kellene detektálni. Amennyiben ez az észlelés megtörténik akkor lehet, hogy radikálisan újra kell gondolnunk, hogyan közelítjük meg a sötét anyagot, a nagy energiájú neutrínókat és még a korai univerzum fizikáját is.

Mit bizonyíthat a februárban felfedezett extrém neutrinó?

• Hawkingnak az ősrobbanás után a korai univerzumot elárasztó apró fekete lyukakra vonatkozó elméletét,
• A Hawking-sugárzást, a fekete lyukak párolgásának hipotézisét.