Einstein és egy rejtélyes feketelyuk-összeolvadás

Olyasvalamit észleltek a csillagászok a fekete lyukak különleges világában, ami az általános modell alapján csak nehezen magyarázható. Két fekete lyuk „lehetetlen” összeolvadására az asztrofizikusok szerint Albert Einstein relativitáselmélete végre talán magyarázatot adhat, de ezzel együtt egy sokkal nagyobb rejtély is felbukkant. A csillagászok szerint a megfigyelt összeütköző feketelyuk-pár által keltett különleges jelet a gravitációs lencsézés néven ismert téridő-jelenség torzíthatta el, és ez végre magyarázatot adhat az összeolvadó fekete lyukak szingularitásának lehetetlen méretére, ám mindez egy újabb és megválaszolatlan problémát is felvet.

Einstein fektette le a modern kozmológia alapjait Forrás: Wikimedia Commons

A probléma csak az, hogy az ütköző fekete lyukak – amelyek tömege 100, illetve 130 naptömegnyi volt – túl nagyok ahhoz, hogy a létezésüket a világegyetemről alkotott jelenlegi ismereteink alapján megmagyarázhatnánk.

A nagy tömegű objektumok gravitációs lencseként elhajlítják a fényt  Fotó: NASA/JPL-Caltech

Az összeolvadó páros az úgynevezett tömegrésben (mass gap) helyezkedik el ami azt jelenti, ahhoz túl nagyok, hogy összeomló csillagokból keletkezett fekete lyukak legyenek, ugyanakkor kisebbek az igen furcsa közepes tömegű fekete lyukaknál, melyek természetét még mindig nem értjük teljesen. A helyzetet még tovább bonyolítja, hogy az összeolvadó fekete lyukak a mérések szerint sokkal gyorsabban forogtak a vártnál, amikor összeütköztek.

Eddig nem feltételezték, hogy a gravitációs hullámok is eltorzíthatók

A kutatók számos lehetséges magyarázattal álltak elő a fekete lyukak „tiltott” méreteire vonatkozóan. Egy tavaly közzétett tanulmány szerint az ilyen méretű objektumok számára - amelyek mint nagyobb tömegű csillagok az életük végén bekövetkező gravitációs összeomlás miatt szupernóvaként robbannának fel –, létezik egy másik, csillagrobbanás nélküli út is ahhoz, hogy fekete lyukká omoljanak össze, amit rendkívül erős neutrinósugárzás okozhat. 

Egy galaxis központi régiójában lévő szupermasszív fekete lyuk eseményhorizontja körül akkréciós korong   Fotó: NASA/University of Washington

Ez az elképzelés azonban számos korábbi megfigyelési adattal ellentmondásban áll, így emiatt egyelőre még nem is tekinthető általánosan elfogadott magyarázatnak. A The Astrophysical Journal Letters szakfolyóiratban augusztus 25-én megjelent tanulmányukban a kutatók egy egyszerűbb, ámde legalább ennyire izgalmas magyarázatot javasolnak a GW231123 jel eredetére. 

Feltételezésük szerint a két fekete lyuk összeolvadásból származó jelet egy különös téridő-jelenség, az úgynevezett gravitációs lencsézés torzította el; 

ez akkor következik be, amikor a távoli forrásokból érkező elektromágneses sugárzás áthalad a téridőnek azokon a torzult régióin, amiket az előtérben elhelyezkedő hatalmas tömegű objektumok gravitációja görbít meg. 

A gravitációs lencsehatást szemléltető ábra   Fotó: Wikipedia

Korábban már kimutatták, hogy ez a jelenség felerősítheti vagy más módon eltorzíthatja a távoli fényforrásokat. Az asztrofizikusok azonban mindeddig nem találtak bizonyítékot arra, hogy a gravitációs lencsehatás a téridő hullámaival is megtörténhet. 

„A fényhez hasonlóan a gravitációs hullámokat is eltérítheti, felnagyíthatja és több jellé bonthatja a hatalmas tömegű objektumok gravitációs ereje” – nyilatkozza Miguel Zumalacárregui, a tanulmány társszerzője és a németországi Max Planck Gravitációfizikai Intézet asztrofizikusa, akit a Live Science tudományos hírportál idéz. 

Einstein jósolta meg a gravitációs hullámok létét is  Fotó:  Getty Images

„A gravitációs hullámok esetében a diffrakciós és interferenciajelenségek további lehetőséget kínálnak a gravitációs lencsézésen átesett jelek azonosítására és vizsgálatára” -fűzi hozzá a tanulmány társszerzője.

Einstein-gyűrűk, és a kozmosz más optikai csodái

A gravitációs lencsézés gondolatát először Albert Einstein fogalmazta meg az 1915-ben felállított és a rá következő évben publikált általános relativitáselméletében. Az einsteini elmélet szerint a nagy tömegű objektumok – például a galaxisok vagy a fekete lyukak – gravitációja meggörbíti környezetükben a téridőt. Ha egy ilyen objektum közvetlenül a Föld és egy távolabbi égitest közé kerül, a távoli objektumból érkező fény áthaladhat a meggörbült téridőn, és elhajlik a köztes objektum körül. 

A galaxisok meggörbíthetik környezetükben a téridőt   Fotó: NASA

Ennek következtében a fény felnagyítódhat, elhajolhat vagy más módon módosulhat –  ahhoz hasonlóan, ahogyan egy üveglencsén áthaladva is történne. A fény -és ezen keresztül a tér- meggörbülését alig három évvel Einstein általános relativitáselméletének publikálása után Arthur S. Eddington brit csillagász az 1919-es teljes napfogyatkozás során empirikusan is bebizonyította. 

A gravitációs lencsehatás egyébként lenyűgöző látványt eredményezhet, 

beleértve ebbe az Einstein-gyűrűkként ismert fényudvarokat, a szokatlan, kereszt alakú struktúrákat és egyetlen fényforrás többszörös megjelenését is. 

A látható fény gravitációs lencséződése olykor fényes gyűrűket hozhat létre, amelyeket Einstein-gyűrűknek neveznek   Fotó: NASA

A jelenség tanulmányozásával a kutatók meghatározhatják a gravitációs lencseként szolgáló objektumok tömegét, ezáltal feltárva a láthatatlan sötét anyag okozta rejtett eltéréseket is, ami pillanatnyilag az egyik legjobb módszert kínálja e megfoghatatlan anyagfajta vizsgálatára. 

Az új tanulmányukban a kutatók azt modellezték, hogyan módosíthatja a gravitációs hullámokat egy gravitációs lencseként ható objektum. A modellszámításaik eredményeként megállapították, hogy a GW231123 számú jel felerősödhetett, ami jelentősen felnagyíthatta az érintett fekete lyukak becsült tömegét is.

Az univerzum okozta optikai csalódás

„Ha azt feltételezzük, hogy a GW231123 jelet egy körülbelül 190–850 naptömegű kompakt objektum – vagy egy kiterjedt struktúra, például egy gömbhalmaz – térítette el és torzította el, akkor magyarázatot kapunk a megfigyelt nagy tömegekre is” – mondja Srashti Goyal, a tanulmány első szerzője és a Max Planck Gravitációfizikai Intézet posztdoktori kutatója. „Ráadásul a gravitációs lencsézésen alapuló értelmezés nem igényel szokatlanul nagy forgási sebességet sem” – fűzi hozzá a kutató. 

Összeolvadó fekete lyukak (művészi illusztráció)  Fotó: NASA/Caltech/R. Hurt (IPAC)

Ezt figyelembe véve az ütközéssel újonnan létrejött fekete lyuk teljes tömege körülbelül 140 naptömegnyi lenne – szemben a kutatók által kezdetben mért 230 naptömeggel –, ami pedig azt jelenti, hogy az azt létrehozó és egymással ütköző fekete lyukak mérete már nem a problémás tömeghasadékba esik. 

De mindez arra is utalhat, hogy a szóban forgó fekete lyuk esetleg még távolabb helyezkedik el a Földtől, mint ahogyan ezt eddig a csillagászok feltételezték. Bár a gravitációs hullámok gravitációs lencsézése elméletileg lehetséges, ilyesmit korábban még sosem figyeltek meg. 

Összeolvadó fekete lyukak keltette gravitációs hullámok (grafikai ábra)  Fotó: NASA

Az új tanulmány is tisztán elméleti jellegű – a kutatók nem rendelkeznek a lencsehatásra utaló közvetlen bizonyítékkal, például az azt kísérő Einstein-gyűrűvel –, ezért további vizsgálatokra van szükség annak igazolásához, hogy valóban ez történt – jegyezték meg közleményükben a publikációt jegyző tudósok.

Az eredmény forradalmasíthatja a jövő csillagászatát is

Még ha helyesnek is bizonyul az új elmélet a GW231123-al kapcsolatos anomália magyarázatára, de rögtön felvet egy újabb izgalmas kérdést: vajon mi okozta e rejtélyes jel gravitációs lencsézését?A gravitációs lencsehatás révén meghajlított fény esetében a lencséző objektum rendszerint hatalmas méretű – például egy galaxis –, amelynek tömege akár a billiószorosa is lehet a Napénak. 

Eddig úgy vélték, hogy csak a hatalmas tömegű objektumok, például a galaxisok képesek eltorzítani a téridőt   Fotó: NASA/ESA

A kutatók modelljei azonban azt mutatják, hogy az esetleges lencséző objektumnak sokkal kisebbnek kell lennie; ráadásul a Föld és a GW231123 jel forrása közötti kozmikus térben nem sikerült olyan objektumot találniuk, amely megfelelne ennek a feltételnek. 

Az elemzésünk ellenére továbbra is nagy rejtély övezi e gravitációs lencse természetét, mivel a 100–1000 naptömegű, kompakt lencséknek rendkívül ritkának kellene lenniük 

– magyarázza Miguel Zumalacárregui, a tanulmány vezető szerzője. „A jövőbeli kutatásoknak kell tisztázniuk, hogy kialakulhatnak-e ilyen gravitációs lencsék, vagy pedig könnyebb objektumok – köztük csillagok – együttese is magyarázatot adhat erre az eseményre” -fűzi hozzá a kutató. 

A jövő csillagászatára is nagy hatással lehet a felfedezés, Fotó: avid (Deddy) Dayag / Wikimedia Commons

Ha a kutatócsoportnak sikerül kiderítenie, mi erősíthette fel a jelet és igazolnia, hogy a téridő-hullámok eltorzultak, az forradalmasíthatja a jövő csillagászatát is. A gravitációs hullámok gravitációs lencsézéssel való fókuszálása lehetővé tenné ugyanis az ősi feketelyuk-összeolvadások vagy hasonló kozmikus események tanulmányozását, amelyek egyébként túl távoliak a hagyományos műszeres észleléshez. A kutatók emellett úgy vélik, hogy az ilyen jelek diffrakciós mintázatának elemzése további támpontokat nyújthat a sötét anyag rejtélyes mibenlétének a feltárásához is.

A The Astrophysical Journal Letters szakfolyóiratban megjelent tanulmányt itt lehet teljes terjedelmében angol nyelven elolvasni.

A 2023 -ban felfedezett GW231123 számú gravitációs hullámjelről megállapították:

• hogy két nagy tömegű fekete lyuk összeolvadása során keletkezett,
• ám az összeolvadó fekete lyukak tömege nem magyarázható meg a hagyományos modellel,
• ezért kutatók egy csoportja arra a következtetésre jutott, hogy a gravitációs lencsehatás nagyította fel a jelet,
• ami egyben arra is utalhat, hogy nem csak a fényt, hanem a gravitációs hullámokat is eltorzíthatja a
• gravitációs lencsehatás.