Titokzatos neutrínó: egy haldokló fekete lyuk üzenete csapódhatott a Földbe

A világegyetem legextrémebb objektumai, a fekete lyukak megsemmisülését, vagyis az elpárolgásukat mindeddig csupán elméleti lehetőségként tartották számon az asztrofizikusok. Még 2023-ban a detektorok kimutatták, hogy egy, az univerzum mélységeiből érkezett rendkívül nagy energiájú, titokzatos neutrínó ütközött a Földnek. Egy kutatócsoport a most publikált tanulmányában arra a következtetésre jutott, hogy e távolról érkezett neutrínóban megtalálta a fekete lyukak halálára vonatkozó első empirikus bizonyítékot.

A Földet elért KM3-230213A neutrínó egy hatalmas energiájú kozmikus esemény bizonyítéka Fotó: YouTube

Titokzatos neutrínó írhatja át a fekete lyukakra vonatkozó ismereteinket, bizonyítékot szolgáltatva arra, hogy Stephen Hawking elmélete, miszerint a fekete lyukak teljes egészében elpárologhatnak, megalapozott és helytálló.

Titokzatos neutrínó érte el a Földet 2023-ban. Forrás: ScI News

A titokzatos neutrínó és a fekete lyukak rejtélyes birodalma

A fekete lyukak, az univerzum legextrémebb objektumainak létezését először Albert Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg teoretikusan. Einstein a gravitációt mint a téridő görbültségének következményét írta le, és az általános relativitáselmélet mezőegyenleteinek egyik megoldása megengedte azt a lehetőséget is, amelyben a gravitáció minden más kölcsönhatást felülírhat. 

Albert Einstein 1916-ban publikálta az általános relativitáselméletét. Forrás: Wikimedia Commons

Az einsteini mezőegyenleteknek ezt a megoldását Karl Schwarzschild német csillagász fedezte fel még abban az évben, 1916-ban, amikor Einstein az általános relativitáselméletét publikálta. Schwarzschild tisztán matematikai úton jutott arra a következtetésre, hogy ha egy csillag a saját gravitációja miatt elkezd összehúzódni, ezzel arányosan megnövekszik a felszíni szökési sebessége is, ami egy ponton eléri, sőt túlhaladhatja a fény sebességét, azaz a fény nem lesz képes elhagyni a csillag felszínét. 

Karl Schwarzschild ezzel a felismerésével összefüggésben elsőként definiálta az eseményhorizont fogalmát is, 

bár ő maga a matematikailag levezett eredmény ellenére sem hitt abban, hogy lehetnek ilyen égitestek az univerzumban.

Karl Schwarzschild német csillagász alkotta meg az eseményhorizont fogalmát. Forrás: Wikimedia Commons

 A fekete lyukak mint valós objektumok létezésére csak Einstein, illetve Schwarzschild hipotézisének publikálása után fél évszázaddal később találták meg az első csillagászati bizonyítékokat. 2019. április 10-én az Európai Déli Obszervatórium szaktudósai pedig bejelentették, hogy a csillagászat történetében első alkalommal sikerült lefényképezniük egy fekete lyukat – pontosabban annak az eseményhorizontja körüli akkréciós korongot –, az intézet nagy Eseményhorizont Távcsöve (Even Horizon Telescope, EHT) segítségével.

                  A történelmi jelentőségű felvétel az M87 közepén lévő fekete lyukról. A polarizált fényben a fekete lyuk eseményhorizontja látszik. Forrás: EHT Colaboration

Ez a tudománytörténeti jelentőségű felvétel a Messier 87 (M87) óriás elliptikus galaxis középpontjában lévő szupermasszív fekete lyukról készült. Az M87 a Virgo galaxishalmaz legnagyobb és legfényesebb tagja, ami 16,5 millió fényévre fekszik a Földtől.

A fekete lyukak létezése ma már általánosan elfogadott az asztronómiában, és e rendkívül extrém kozmikus objektumok számos tulajdonságának a törvényszerűségit is sikerült meghatározni. A fekete lyuk leegyszerűsítve a téridő olyan tartománya, ahonnan a rendkívül erős gravitáció miatt semmilyen elektromágneses sugárzás, így a fény sem tud kiszabadulni. Egy másik megfogalmazással: a fekete lyuk az a kozmikus objektum, amelynél a felszínre vonatkoztatott szökési sebesség eléri vagy meghaladja a fénysebesség értékét. A fekete lyuk ugyanakkor nem valódi égitest, hiszen az eseményhorizont mögött nincs belső szerkezete, kifelé pedig csak a tömege, töltése és a perdülete nyilvánul meg a kopaszsági elv értelmében.

A fekete lyuk eseményhorizontján túlról nem jut ki semmilyen információ. Fotó: Mark A. Garlick

A kopaszsági elv a fekete lyukak fizikájában használt elméleti tétel, ami azt állítja, hogy a fekete lyuk eseményhorizontján túli megfigyelő számára a fekete lyuk szerkezetét egyedül csak három fizikai mennyiség: a tömeg, a töltés és a perdület határozza meg. Minden egyéb más információ, ami az egykori csillag vagy az összeomlott anyag tulajdonságaira utalna, a fekete lyuk eseményhorizontja mögé kerül, és éppen ezért az eseményhorizonton túlról soha sem látható.

A fekete lyuk eseményhorizontja mögötti gravitációs szingularitásban a hagyományos fizikai törvényszerűségek nem értelmezhetők, és bizonyos mennyiségek végtelenné válnak. 

Egy nem forgó fekete lyukban a szingularitás pontként értelmezhető, míg egy forgó fekete lyuk esetében ez egy gyűrűszerű tartomány. Az általános relativitáselmélet a gravitációs szingularitást, egyben a téridő végtelen görbületét az extrém nagy gravitációval rendelkező kozmikus objektumok, a fekete lyukak sajátosságaként jósolta meg. Mindebből az következne, hogy a fekete lyuk, amelynek eseményhorizontja mögött bezáródik a téridő, végtelen ideig létező entitás. 

Stephen Hawking és leánya, Lucy Hawking jósolta meg a fekete lyukak anyagveszteségét, a róla elnevezett Hawking-sugárzást. Fotó: Paul E. Alers

Ám még 1974-ben a világhírű angol elméleti fizikus, Stephen Hawking kimutatta, hogy a fekete lyuk környezetében az objektum rovására részecskék keletkezhetnek, vagyis az energia anyaggá alakul át, ami által a fekete lyuk tömege is csökken. Hawking tétele szerint minél kisebb a fekete lyuk tömege, annál intenzívebb ez a fajta anyagkeletkezés. Az elmélet megalkotójáról Hawking-sugárzásnak elnevezett jelenség révén ahogy a sugárzás miatt a fekete lyuk egyre többet veszít a tömegéből, ezzel arányosan megnövekszik és egyre erősebbé válik az anyagkibocsátás is, ami végül odavezet, hogy a fekete lyuk robbanásszerű hevességgel megsemmisül. A Hawking-sugárzásra, illetve egy fekete lyuk ennek következtében való megsemmisülésére azonban mindeddig még nem sikerült empirikus bizonyítékokat találni.

 

Sötét anyag, sötét elektronok és a fekete lyukak halála

Az új tanulmány szerzői azonban úgy vélik, hogy a valaha detektált legenergikusabb neutrínó, a KM3–230213A egy ilyen ritka kozmikus haláleset bizonyítéka. 

A neutrínó 35-ször energikusabb volt, mint az előző rekorder, és százezerszer energikusabb, mint azok a részecskék, amilyenekkel a Nagy Hadronütköztetőben találkozhatunk. 

Egy bizonyos: bármi is okozta azt az eseményt, amelynek a 2023-ban a Földet elért KM3–230213A neutrínó a hírnöke, annak korszakalkotó energiájú kozmikus jelenségnek kellett lennie.

A KM3–230213A, volt a valaha észlelt legnagyobb energiájú neutrínó, ami elérte a Földet. Forrás: KM3NeT

A neutrínó a leptonok közé tartozó olyan semleges könnyű elemi részecske, ami – a gravitációt leszámítva – csak a gyenge kölcsönhatásban vesz részt. A neutrínónak nincs elektromos töltése, semleges, és emiatt elektromágneses kölcsönhatásban sem vesz részt. Ez a magyarázata annak is, hogy a neutrínó rendkívül közömbös az anyaggal szemben, azaz az ezzel való kölcsönhatás (ütközés) hatáskeresztmetszete rendkívül csekély; egy egy fényévnyi vastagságú ólomfalon a neutrínók mintegy ötven százaléka könnyedén áthatolna. A neutrínónak ez a tulajdonsága egyben rendkívül megnehezíti azt is, hogy kísérleti úton észlelhető legyen, mert a részecskék kimutatásának alapja mindig valamilyen kölcsönhatás.

A Massachusettsi Egyetem kutatócsoportja szerint a KM3–230213A jelű neutrínó egy ősi fekete lyuk (Primordial Balck Hole, PBH) halálának a hírnöke. A PBH-k azok a hipotetikus fekete lyukak, amelyek közvetlenül az ősrobbanás után keletkezhettek, és sokkal kisebbek a hagyományos, általunk ismert fekete lyukaknál.

            A James Webb teleszkóp példátlan részletességgel ráközelített a Cricinus-galaxis szupermasszív fekete lyukának (az inzertben) közvetlen környzetére. Fotó: NASA, ESA, CSA

 Éppen ezért a kis tömegük és a korai keletkezésük miatt (az ősrobbanás kerekítve 13,8 milliárd éve történt) elegendő idő állt rendelkezésre ahhoz, hogy a Hawking-sugárzás értelmében hevesen elpárologjanak. – Minél könnyebb egy fekete lyuk, annál forróbbnak kell lennie, és ezáltal több részecskét bocsát ki – mondja Andrea Thamm, az új kutatás társszerzője és a Massachusettsi Egyetem fizikaadjunktusa, akit az Ilf Science tudományos hírportál idéz. – Ahogy a PBH-k elpárolognak, egyre könnyebbé és egyre forróbbak válnak, így még több sugárzást bocsátanak ki egy elszabadult folyamatban, egészen az ezt betetőző robbanásig.

Egy fekete lyuk művészi ábrája. Forrás: Science Library

Ezt a fajta Hawking-sugárzást a teleszkópjaink képesek érzékelni – magyarázza a tanulmány társszerzője. 

E robbanások csak rendkívül ritkán detektálhatók, évtizedenként mindössze egyetlen eset gyakorisággal, 

és nemcsak optikai fényt bocsátanának ki, hanem egy csomó nagy energiájú részecskét, beleértve a neutrínókat is. Ami viszont probléma, hogy a legenergikusabb neutrínót, a 2023-ban detektált könnyű részecskét csak egyetlen kísérleti platform, a KM3NeT figyelte meg. A további neutrínók hiányának magyarázatára a tanulmányt jegyző tudósok egy, a sötét anyaggal fennálló különleges kapcsolatot feltételeznek. A kutatók szerint e fekete lyukak hipotetikus sötét töltéssel rendelkeznek, amit az úgynevezett sötét elektronok közvetítenek.

A hipotetikus sötét anyag és sötét energia eloszlása az univerzumban. Forrás: TerndIn

 – Úgy gondoljuk, hogy a „sötét töltésű” PBH-k – amiket kvázi-extrém PBH-knak nevezünk – jelentik a hiányzó láncszemet – magyarázza Joaquim Iguaz Juan, a tanulmány társszerzője és a Massachusettsi Egyetem posztdoktori fizikus kutatója. – Léteznek más, egyszerűbb PBH-modellek is – fűzi hozzá Michael Baker, a tanulmány másik társszerzője. – A sötét töltés modellünk összetettebb, ami azt jelenti, hogy pontosabban leképzi a valóságot is. Ami igazán nagyszerű, az az, hogy a modellünk meg tudja magyarázni ezt az egyébként megmagyarázhatatlan jelenséget – hangoztatja a Massachusettsi Egyetem adjunktusa.

 

Ami bizonyos: gigantikus energiájú esemény tanúja lehet a Földre tévedt részecske

A sötét anyag létezésére vonatkozó bizonyítékok nagyon erősek ugyan, de még mindig nem tudjuk, hogy mi az vagy miből áll. Ha ezek az ősi fekete lyukak léteznének, és szorosan kapcsolódnának a sötét anyaghoz, akkor maguk is ennek a láthatatlan anyagnak a részét alkotnák. – Ha a feltételezett sötét töltésre vonatkozó hipotézisünk igaz, akkor úgy véljük, hogy jelentős mennyiségű PBH létezhet, és ez összhangban állna más asztrofizikai megfigyelésekkel, illetve megmagyarázná az univerzum összes hiányzó sötét anyagát is – véli Joaquim Iguaz Juan. – A nagy energiájú neutrínó megfigyelése hihetetlen esemény volt, ami új ablakot nyitott számunkra az univerzumra. 

Az univerzum még számtalan megfejtetlen titkot tartogat  Fotó: NASA/JPL-Caltech

– Most már a Hawking-sugárzás kísérleti igazolásának küszöbén állhatunk, bizonyítékokat szerezhetünk mind az ősi fekete lyukak, mind pedig a standard modellen túlmutató új részecskék létezésére, továbbá megmagyarázhatjuk a sötét anyag rejtélyét is – összegezi kutatásuk jelentőségét a tanulmány társszerzője, Michael Baker. Egy valami azonban már most is biztos: a KM3–230213A neutrínót valamilyen felfoghatatlan, döbbenetes energiájú erejű esemény küldte a Földre a világegyetem mélységeiből.

A Physical Review Letters szakfolyóiratban 2026. február 10-én megjelent tanulmányt teljes terjedelmében és angol nyelven itt lehet elolvasni.