Szülnek-e Planck-csillagokat a fekete lyukak?

Egy új elképzelés szerint a fekete lyukak mélyén mégsem a szingularitásig zuhan össze az anyag.

A fekete lyukak évtizedek óta elbűvölik a kutatókat és a nagyközönséget. Ezekből a rejtélyes égitestekből a fény sem juthat ki, és az anyag olyannyira összesűrűsödik bennük, hogy a fizika ismert törvényei érvényüket vesztik. De pontosan mi is rejtőzhet a fekete lyukak mélyén?

Két kutató, Carlo Rovelli (Touloni Egyetem. Franciaország) és Francesca Vidotto (Nijmegeni Radboud Egyetem, Hollandia) most új válasszal szolgál. Állításuk szerint minden fekete lyukban ott rejlik a szülőcsillag éteri kvantummaradványa, sőt a fekete lyukak elpárolgásával akár újra elő is bukkanhat. Rovelli és Vidotto Planck-csillagnak nevezte el ezeket az objektumokat. Létezésük egy régi asztrofizikai problémát oldhat fel, mit több akár már a mai eszközeinkkel is keresni lehet a nyomaikat a csillagok között.

Régóta úgy tartjuk, hogy a legnagyobb óriáscsillagok pusztulásakor az égitestek magjának összezuhanását semmilyen ismert fizikai erő nem képes megállítani, s a csillag helyén fekete lyuk jön létre. A mag anyaga végtelenül sűrű, pontszerű szingularitásba omlik össze. Ez a leírás azonban sosem volt teljesen kielégítő. Egyrészt a szingularitáson a mai fizikai tudásunkkal nem lehet fogást találni. Másrészt, és ez talán még bosszantóbb, a fekete lyukak képesek elpárologni, és végül eltűnni – csakhogy ekkor fellép az információ-paradoxon. Az információ, amely leír egy objektumot, legalább elméleti szinten meghatározhatóvá kell hogy tegye a jövőjét, és visszakövethetővé a múltját. De mi lesz az információtartalommal, amikor a fekete lyuk végül teljesen elpárolog?

Rovelli és Vidotto a teljes univerzum egyik lehetséges sorsát leíró „nagy reccs” elképzelés vizsgálatából indultak ki. Ha a világegyetem elég sűrű lenne vagy elég lassan tágulna, egy idő után összehúzódhatna, mintegy visszafelé lejátszva a nagy bummot. A fő következtetésük, hogy a totális összehúzódást a kvantumgravitációs hatások megállítják: az összehúzódó univerzum „visszapattan”, amikor az anyag energiasűrűsége eléri a Planck-sűrűséget, a legnagyobb sűrűséget, amely a kvantummechanika törvényei miatt fizikailag még értelmezhető. Ez igen jelentős felfedezés, ugyanis a kritikus sűrűség elérésekor a világegyetem még nem húzódik össze a legkisebb értelmezhető méretre, a Planck-térfogatba. A kvantumgravitáció már akkor megállítja az összezuhanást, amikor az univerzum még vagy 75 nagyságrenddel nagyobb, mint a Planck-térfogat.

Ez a gondolatmenet egyetlen fekete lyukra is alkalmazható. Az anyag összezuhanása a szingularitás elérése előtt megáll, némileg hasonlóan ahhoz, ahogy egy kisebb égitest összezuhanását a neutronok egymás elleni nyomása megállítja, és neutroncsillag lesz belőle. Persze a Planck-csillagok így is nagyon kicsik lennének, pikométeres (a méter billiomodrésze) méretű objektumok az eseményhorizonton belül, olyan kicsik, mint egy gammafoton hullámhossza. De ez még mindig vagy 30 nagyságrenddel van a Planck-hossz felett.

A szerzők szerint ezek az égitestek az univerzum szempontjából viszonylag stabilak is lennének. Maguk a Planck-csillagok nagyon instabilak, szétbomlanak annyi idő alatt, amennyi alatt egy fénysugár áthalad rajtuk. De egy külső szemlélő számára a Planck-csillag majdnem annyi ideig létezik, mint maga a fekete lyuk, ugyanis az extrém gravitáció miatt az odabent folyó idő hihetetlen mértékben lelassul. A hosszan fennmaradó Planck-csillag pedig végül kibukkanhat a párolgó fekete lyuk egyre jobban összehúzódó eseményhorizontja mögül. Ezzel pedig a benne rejlő információ egy csapásra ismét hozzáférhetővé válik a teljes világegyetem számára: volt-nincs információparadoxon.

A legérdekesebb, hogy egy kicsi, primordiális fekete lyuk esetén az elpárolgás ideje az univerzum mai korának felel meg, a kiszabaduló információ pedig gammafotonok formájában távozna. Gammasugárzást számos űrbéli obszervatóriumunk figyel meg, évtizedek óta. Vagyis a Planck-csillagok létének igazolása csak a modellek pontosságán, a mérések érzékenységén és az adatokat átvizsgáló kutatók türelmén fog múlni.

Egy új elképzelés szerint a fekete lyukak mélyén mégsem a szingularitásig zuhan össze az anyag: az elképesztően apró, de mégis kiterjedt “Planck-csillag” a fekete lyuk elpárolgásakor ismét előbukkanhat.

A fekete lyukak évtizedek óta elbűvölik a kutatókat és a nagyközönséget is. Ezekből a rejtélyes égitestekből a fény sem juthat ki, és az anyag olyannyira összesűrűsödik bennük, hogy a fizika ismert törvényei érvényüket vesztik. De pontosan mi is rejtőzhet a fekete lyukak mélyén?

Két kutató, Carlo Rovelli (University of Toulon, Franciaország) és Francesca Vidotto (Radboud University, Hollandia), most egy új válasszal szolgál. Állításuk szerint minden fekete lyukban ott rejlik a szülőcsillag éteri kvantum-maradványa. Sőt, az a fekete lyukak elpárolgásával akár újra elő is bukkanhat. Rovelli és Vidotto “Planck-csillagnak” nevezte el ezeket az objektumokat. Létezésük egy régi asztrofizikai problémát oldhat fel, mit több, akár már a mai eszközeinkkel is keresni lehet a nyomaikat a csillagok között.

Kép forrása: Discovery News.

Régóta úgy tartjuk, hogy a legnagyobb óriáscsillagok pusztulásakor az égitestek magjának összezuhanását semmilyen ismert fizikai erő nem képes megállítani: a csillag helyén egy fekete lyuk jön létre. A mag anyaga egy végtelenül sűrű, pontszerű szingularitásba omlik össze. Ez a leírás azonban sosem volt teljesen kielégítő. Egyrészt a szingularitáson a mai fizikai tudásunkkal nem lehet fogást találni. Másrészt, és ez talán még bosszantóbb, a fekete lyukak képesek elpárologni és végül eltűnni – csakhogy ekkor fellép az információ-paradoxon. Az információ, ami leír egy objektumot, legalább elméleti szinten meghatározhatóvá kell hogy tegye annak jövőjét, és visszakövethetővé a múltját. De mi lesz információtartalommal, amikor a fekete lyuk végül teljesen elpárolog?

Rovelli és Vidotto a teljes Univerzum egyik lehetséges sorsát leíró Nagy Reccs elképzelés vizsgálatából indultak ki. Ha az Univerzum elég sűrű lenne, vagy elég lassan tágulna, egy idő után összehúzódhatna, mintegy visszafelé lejátszva a Nagy Bummot. A fő következtetésük, hogy a totális összehúzódást a kvantumgravitációs hatások megállítják: az összehúzódó Világegyetem “visszapattan”, amikor az anyag energiasűrűsége eléri a Planck-sűrűséget, a legnagyobb sűrűséget, ami a kvantummechanika törvényei miatt fizikailag még értelmezhető. Ez igen jelentős felfedezés, ugyanis a kritikus sűrűség elérésekor a Világegyetem még nem húzódik össze a legkisebb értelmezhető méretre, a Planck-térfogatba. A kvantum-gravitáció már akkor megállítja az összezuhanást, amikor az Univerzum még vagy 75 nagyságrenddel nagyobb, mint a Planck-térfogat.

Ez a gondolatmenet egyetlen fekete lyukra is alkalmazható. Az anyag összezuhanása a szingularitás elérése előtt megáll, némileg hasonlóan ahhoz, ahogy egy kisebb égitest összezuhanását a neutronok egymás elleni nyomása megállítja, és neutroncsillag lesz belőle. Persze a Planck-csillagok így is nagyon kicsik lennének, pikométeres (10^-12 m) méretű objektumok az eseményhorizonton belül, olyan kicsik, mint egy gamma-foton hullámhossza. De ez még mindig vagy 30 nagyságrenddel van a Planck-hossz felett.

Kép forrása: Scientific American.

A szerzők szerint ezek az égitestek az Univerzum szempontjából viszonylag stabilak is lennének. Maguk a Planck-csillagok nagyon instabilak, szétbomlanak annyi idő alatt, amennyi alatt egy fénysugár áthalad rajtuk. De egy külső szemlélő számára a Planck-csillag majdnem annyi ideig létezik, mint maga a fekete lyuk, ugyanis az extrém gravitáció miatt az odabent folyó idő hihetetlen mértékben lelassul. A hosszan fennmaradó Planck-csillag pedig végül kibukkanhat a párolgó fekete lyuk egyre jobban összehúzódó eseményhorizontja mögül. Ezzel pedig a benne rejlő információ egy csapásra ismét hozzáférhetővé válik a teljes Univerzum számára: volt-nincs információ-paradoxon.

A legérdekesebb, hogy egy kicsi, primordiális fekete lyuk esetén az elpárolgás ideje az Univerzum mai korának felel meg, a kiszabaduló információ pedig gamma-fotonok formájában távozna. Gamma-sugárzást számos űrbéli obszervatóriumunk figyel meg, évtizedek óta. Vagyis a Planck-csillagok létének igazolása csak a modellek pontosságán, a mérések érzékenységén, és az adatokat átvizsgáló kutatók türelmén fog múlni.