NAGY BUMM ÉS A FEKETE LYUK

NAGY BUMM ÉS A FEKETE LYUK

A legújabb adatok az ősi Univerzumról

A WMAP műhold mérési adatai alapján a Világegyetem őstörténetének eddig ismeretlen mélységeibe sikerült bepillantani. Az adatok az eddigi legerősebb bizonyítékot szolgáltatják az inflációs modell mellett: mindössze egybilliomod másodperccel az Ősrobbanás után az Univerzum már viharos gyorsasággal tágult. Az eredményeket az Astrophysical Journal hasábjain közlik majd, a legfontosabb megállapításokat hírlevélben tették közzé a kutatások vezetői, a Johns Hopkins és a Princeton Egyetem munkatársai.

Forrás: NASA

AJÁNLAT

Feltárulnak a fiatal Univerzum titkaiKét évvel ezelőtti beszámolónk a WMAP első eredményeiről; részletes háttéranyag a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásról és a korábbi mérésekről.

Mint arról korábbi összeállításainkban már tájékozódhattak, a WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) űrszonda a Világegyetemmikrohullámú háttérsugárzásának eloszlását méri. Ez a háttérsugárzás az Ősrobbanás után kb. 380 ezer évvel fennállt állapotokról nyújt információt. A 2001-ben pályára állt amerikai űreszköz méréseiről először2003-ban számoltak be a kutatók. Ahogyan a korábbi szondák (főként a COBE) eredményei alapján várható volt, a háttérsugárzás eloszlása nem bizonyult egyenletesnek, kis eltéréseket, hidegebb és forróbb pontokat tártak fel a mérések. Ezek az eltérések azt bizonyítják, hogy az anyag eloszlása nem volt teljesen egyenletes a korai Univerzumban. Már a legelső időszakokban kisebb gócok, csomók alakultak ki a Világegyetemben: a mai galaxisok csírái. Az elmúlt három évben új szoftverrel látták el a műszereket, a mérések így százszor érzékenyebbé, pontosabbá váltak a korábbinál.

A felfúvódó Világegyetem

A Világegyetem inflációs modelljét Alan H. Guth (Massachusetts Műegyetem) dolgozta ki 1979-ben. A pénzvilágból jól ismert infláció itt azt jelenti, hogy a korai szakaszban, billiomod másodperccel az Ősrobbanás után a Világegyetem gyorsulva tágult, és egy mikroszkopikusan kicsiny térrész tágult szempillantásnyi idő alatt hatalmas, csillagászati méretűvé.

Korábbi vélekedés szerint a korai Univerzumban a sugárzás hullámai, fodrozódásai nem függtek a hullámok méretétől, fényességük egyforma volt. Az inflációs modellek szerint viszont a nagyobb hepehupák fényesebbek, mint a kisebbek. (Az eredeti inflációs modellnek is több változata született, ezek részletkérdésekben eltérnek egymástól, de ebben a kérdésben megegyeznek.) A nagy hullámok korábban keletkeztek, mint a kisebbek, mai nagyobb méretük ugyanis annak köszönhető, hogy hosszabb ideig léteztek az inflációs korban, azaz többet tágult alattuk a Világegyetem. Az infláció előrehaladtával csökkent az inflációt előidéző hatás ereje, ezért a később keletkezett kisebb hullámok kevésbé fényesek. A WMAP új, nagyon finom felbontású adatai pontosan ilyen összefüggést mutatnak: a kisebb hullámzások a nagyobbaknál kevésbé fényesek.

Az Ősrobbanástól napjainkig. Közvetlenül a kezdeti esemény után egy drámai mértékű tágulás következett (felfúvódás). Ezután a tágulás folytatódott, de az üteme egyre lassult. Úgy tűnik, néhány milliárd éve ismét egy gyorsulva táguló szakasz következett, ebben élünk ma. Szerencsére ez az időszak nem olyan viharos, mint a korai inflációs Világegyetemé volt (forrás: WMAP)

A háttérsugárzás intenzitásának mérése mellett a sugárzás polarizációját is tanulmányozták, és az eredmények általában szolgáltattak bizonyítékot az infláció mellett. Továbbá az inflációs elmélet szerint a mikrohullámú háttérsugárzás polarizációját az infláció idején fellépett gravitációs hullámok is befolyásolták. A WMAP mérései ezt még nem igazolták, a gyenge hatás kimutatásához jóval érzékenyebb mérésekre lesz szükség.

Később jöttek az első csillagok

A WMAP három éven át gyűjtött adataiból mást is kiolvastak a szakemberek. Az első csillagok keletkezését most az Ősrobbanás után kb. 400 millió évre teszik. A korábbi, kevésbé pontos mérésekből ez 200 millió év volt, ami viszont nem illett bele az Univerzum történetének más jelenségeit jól leíró modellekbe. A 400 millió évvel a modellek már összhangba kerültek.

Az ábrán azt láthatjuk, hogy a különböző nagy teljesítményű, Föld körül keringő műszerekkel milyen távolságig "látunk el", azaz mennyire mehetünk vissza időben. A Hubble-űrtávcső (HST) ún. legmélyebb ég felvételein (Hubble Deep Field) az eddig ismert legősibb galaxisokat figyelhetjük meg. Az ezeknél is ősibb, feltehetően a legkorábbi galaxisok felfedezése már a HST utódjának (JWST) feladata lesz. Ezután egy "sötét korszak" következik, majd a kozmikus háttérsugárzást vizsgáló műszerek jönnek be a képbe. A WMAP első adatai arra utaltak, hogy a csillagkeletkezés már 200 millió évvel az Ősrobbanás után megindult. Az új mérések szerint ez csak kétszer ennyi idő után következett be (forrás: WMAP)

A mérési adatok megerősítették a Világegyetem összetételéről az utóbbi néhány évben kialakult képet. Eszerint mindössze 4%-ot tesz ki a jól ismert, közönséges anyag. 22%-ot tehet ki a sötét anyag, amelynek mibenlétét egyelőre csak találgatni lehet, mivel nem bocsát ki semmiféle észlelhető sugárzást, létére csak a galaxisok mozgásából következtethetünk. A fennmaradó 74% a szintén ismeretlen sötét energia. Ez a sötét energia okozhatja a Világegyetem tágulási ütemének későbbi gyorsulását.

Jéki László

Előttem nem volt semmi - vendégünk volt a Nagy Bumm

"Ha már nem lesz mit megismerni, csak az összegyűjtött teljes ismeretanyagot lehet ragozni, permutálni, akkor az intellektuális izgalom elhal, a technika és valószínűleg a szellem fejlődése véget ér. Kívánom, hogy ezt az állapotot sohase érjétek el, mindig maradjon a Világban izgalmas kihívás, kutatni- és felfedeznivaló." A Földön kívüli élet után a Nagy Bumm volt a vendégünk rendhagyó chat-sorozatunkban. Számtalan érdekes dolgot megtudhattunk a Világegyetem keletkezésekor jellemző állapotokról és az Univerzum jövőjéről is.

Ami biztos: nem így kell elképzelni a Nagy Bummot Könyvajánló A kozmológiai tudomány fejlődésének (majdnem) napjainkig tartó, érdekes, számos résztvevő és szemtanú személyes emlékeire is hivatkozó összefoglalásául ajánlom a következő könyvet: S. Singh: A Nagy Bumm (Park kiadó, 2006).  Ajánlat A legújabb adatok az ősi UniverzumrólGondok az Ősrobbanás körülKépek a világ kezdeteiről: feltárulnak a fiatal Univerzum titkaiA Világegyetem nagy egyesítéseAz Univerzum és az emberiség sötét jövőjeSötét energia uralja a VilágegyetemetAz első égitestek sugárzása  Ajánlat Vendégünk volt a Földön kívüli életProgramajánló: Nagy Bumm, sötét energia és fekete lyukak a Jövő Házában Nagy Bumm: Üdvözlöm az olvasókat! Mindenekelőtt hadd kérjem, hogy az igazi nevemen szólítsatok. A nevem pedig nem Ősrobbanás, hanem Nagy Bumm, angolul Big Bang. Az Ősrobbanás szó teljesen félrevezető, ráadásul annak idején ostoba politikai kompromisszumként született. Az 1950-es években Magyarországon az egész téma burzsoá áltudománynak számított, amikor pedig végre lehetett róla beszélni, az volt a kifogás, hogy a Nagy Bumm túlságosan vicces kifejezés, a Tudomány pedig Igencsak Komoly Dolog. Így maradtak az Ősrobbanás elnevezésnél, ami azóta is sok embert félretájol. A "robbanás" szó ugyanis arra utal, hogy a hatalmas semmi közepén van egy kis anyagcsomó, ami hosszú nyugalom után egyszer csak gyors tágulásnak indul. Vannak gyorsabb és vannak lassúbb repeszdarabok - a leginkább sztahanovista, gyorsan repülő részecskék belehasítanak az üres térbe, és igencsak anizotróp világot látnak maguk körül: előttük a nagy semmi, mögöttük a többi, lassúbb részecske. Ez a hamis kép homlokegyenest ellenkezik azzal a képpel, amit a kozmológia tudománya rólam kialakított. Nevezzetek tehát egyszerűen Nagy Bummnak. Ez is leegyszerűsítés, de legalább nem félrevezető. Mikor történtél meg? [<DJ FaTaL>] Ezen sokat vitatkoztatok. Néhány évvel ezelőtt még azt mondtátok, hogy 10-20 milliárd évvel ezelőtt. Ez olyan, mintha egy hölgyet 30-60 évesnek saccolnátok. A 2002-2003 körül végzett nagy pontosságú csillagászati mérések alapján most már pontosan tudjátok, hogy 13, 7 milliárd évvel ezelőtt történtem. Mi volt Ön előtt? [urrobi] Már Szent Ágoston is megmondta: "meg kell értenünk, hogy az idő teremtése előtt nem volt idő". Én is ugyanezt mondom, teremtés helyett az idő kezdetével, a Nagy Bummal. A kérdés hasonló a következőhöz: mi van az Északi-sarknál is északabbra? A Föld minden pontján feltehető ez a "mi van innen egy méterrel északabbra" kérdés, de épp az Északi-sarkon nincs értelme. Hasonlóképpen minden pillanatot megelőzött sok másik pillanat, kivéve a kezdet pillanatát. Ez előtt nem volt semmi, mert magának az "előtt" szónak sem volt értelme. Tényleg egy robbanásként kell elképzelnünk? [csibegeza] Egyáltalán nem. Mint a bevezetőben leírtam, egy robbanásnál egy kis anyagdarab terjed szét a külső, üres térben. Az én esetemben nem volt külső tér, mert a tér is az anyaggal együtt keletkezett. Másrészt nem voltak leggyorsabban repülő, szélső részecskék, amelyek legelöl hasítottak az üres térbe: az anyag mindig egyenletesen töltötte be az egész teret. Ezért célszerűbb azt mondani, hogy nem az anyag "robban", hanem a tér tágul. Hogyan került a nagy semmi közepére az a kis anyaghalmaz? [Egyetemista@Mc]Mint a bevezetésben leírtam, nem volt Nagy Semmi és nem volt kis anyagkupac. Előttem egyszerűen nem volt semmi, sőt "előttem" sem volt. Természeti törvények hiányában mi indította el és mi irányította ezt a folyamatot? [DiTKaBéjBi] A természeti törvényeket az anyag hordozza. Amint az anyag létrejött, máris voltak törvényei, és azok irányították a fejlődést. Az első pillanatnak viszont nem volt oka, mert az egyik előző válaszban leírtak szerint nem volt "azelőtt". Ha viszont ez a válasz nem nyugtat meg benneteket, másként is gondolhattok e kérdésre: képzeljetek el egy félegyenest, amelynek kezdőpontját eltávolítjuk: legyen ez a számegyenes pozitív fele, a nulla pont nélkül. A félegyenes bármely pontjától balra végtelen sok pont található, de nincs legszélső, első pont. Ilyen az időtengely is: minden eseményhez pozitív időadat tartozik, mindegyik esemény előtt végtelen sok másik esemény történt, amelyek akár az adott esemény okául szolgálhatnak, de nem volt legelső esemény, amelynek nem lenne oka, hiszen a kezdőpont nem tartozik az időegyeneshez. Ebben az értelemben én, a Nagy Bumm - nem is létezem. De a semmiből hogy lett anyag, ami tágult? [CarmenBaba] Úgy látszik, ez az a kérdés, ami mindenkit izgat. A "lett" szó használata már azt sugallja, hogy volt valami a kezdő pillanat előtt, és ebből "lett" az, ami később létezik. De ha az idő is a kezdő pillanatban született, akkor a kérdésnek nincs értelme. Akit ez még mindig idegesít, annak javaslom az idő korábban leírt félegyeneses modelljét: ebben nem merül fel az első pillanat és az azt megelőző események kérdése. Mennyire tudjuk az Ön kezdő pillanatát időben megközelíteni a mai modelljeinkkel? [zolika]A megközelítés fő eszközei részben a részecskegyorsítók, részben a papír/ceruza/számítógép komplexum. Az Univerzum korai korszakaiban nagyon meleg volt, azaz a részecskék nagyon gyorsan mozogtak. Ezt nehéz földi kísérletben reprodukálni, lásd a magfúziós erőművekkel való próbálkozások technikai nehézségeit, pedig ott csak a Nap belsejének néhány millió fokos hőmérsékletét kellene utánozni. Egy zseniális ötlet segített: elég csak néhány részecskét felgyorsítani a megfelelő sebességre, a többi, álló részecskével történő ütközésük pont úgy zajlik le, mintha mindegyikük egyformán veszettül szaladgálna. Ezt pedig földi részecskegyorsítókkal is el lehet érni. A gyorsítós kísérletekkel így egyre többet tudtok meg a részecskék tulajdonságairól, kölcsönhatásairól, az elméleti fizikusok és kozmológusok pedig eme újonnan megismert tulajdonságokat azonnal felhasználják a Világegyetem ama korszaka rekonstrukciójára, amikor az adott energia- és hőmérsékletviszonyok uralkodtak. Persze minél korábbra akartok visszanézni, annál nagyobb hőmérsékletet, azaz energiát kell elérni, ehhez pedig nagyobb, és sajnos exponenciálisan drágább gyorsítók kellenek. A következő gyorsítógeneráció már akkora lesz, hogy el sem fér a Földön, ki kell telepítenetek őket az űrbe... Ily módon ma kb. a másodperc ezred-milliomod-milliomod részéig (körülbelül 10-15 s) tudjátok megközelíteni a Kezdet pillanatát. Az elméleti fizikusoknak szerencsére nem kell gyorsító, az ő gondolataik szabadabban szárnyalhatnak: viszonylag pontos leírással rendelkeztek a Nagy Bumm után 10-35másodperccel történtekről. Az így kikövetkeztetett  jelenségeket persze még sokáig (esetleg évszázadokig) nem lehet kísérletileg ellenőrizni. Az elméleti eredmények alapján azonban rekonstruálható az Univerzum későbbi története, a kialakuló struktúrák tulajdonságai, ez pedig összevethető a mai csillagászati tapasztalattal. Sőt megfordítva: egyes kozmológiai, csillagászati megfigyelésekből következtetni lehet az elemi részecskék laboratóriumból nem ismert tulajdonságaira is - ezt az ötletet egy neves magyar tudós, Marx György alkalmazta először 1975-ben.  Hogy kell elképzelni az akkori állapotokat? [csibegeza] Ezek az állapotok nagyon gyorsan változtak. Ahogy a tér a nullából kiindulva tágult, az anyag hőmérséklete a végtelenből indulva folyamatosan csökkent. Adott hőmérsékleten adott anyagfajták létezhetnek: a hőmérséklet gyors változásával gyorsan változtak az anyagfajták is. Olyan ez, mint egy igen gyors és nagyon sok részes szappanopera, melynek felvonásai új meg új szereplőkkel villámgyorsan követik egymást. De minden felvonás ezerszer vagy milliószor hosszabb az előzőnél (hiszen a hőmérséklet csökkenésével a szereplők, azaz a részecskék egyre lassabban mozognak). Kezdetben a sűrű és forró anyag elemi részecskékből (és persze a megfelelő antirészecskékből) állt, amelyek termodinamikai egyensúlyban voltak, és  folyamatosan átalakultak egymásba, a fotonok új részecske-antirészecske párokat keltettek, azok szétsugároztak stb. A hőmérséklet csökkenésével a nehezebb részecskék és antirészecskéik kiszálltak a játékból (hiszen a hősugárzás energiája már nem volt elég a párkeltéshez), végül csak a legkönnyebbek maradtak: az általatok jól ismert proton és elektron, ezek később atomokat alkottak. Ezután az addig homogén (azaz mindenütt egyforma sűrű) anyag a gravitációs instabilitás miatt felhőkre szakadt, és elkezdődött a kozmikus struktúrák, a galaxisok és csillagok kialakulása. Innen már el tudjátok képzelni a sztorit... Ez a forró, átalakuló részecskeplazma már a nulla pillanattól kezdve jelen volt? Vagy a kezdet igazi kezdetén másfajta viszonyok uralkodtak? [szecskarago]Néhány évtizede még úgy gondoltátok, hogy a forró "plazmakorszak" egészen a kezdetektől fennállt. Ma már tudjátok, hogy ezeket a "termodinamikai" jellegű, forró felvonásokat megelőzte az "inflációnak" nevezett, gyorsuló tágulással jellemezhető, igen rövid, de drasztikus változásokat hozó korszak, amelynek létezésére csak 1980-ban következtettetek, mégpedig részecskefizikai elméleteitek alapján, és amelynek létezését tudósaitok csak nemrég fogadták el általánosan. Ennek a korszaknak a végén, a vákuum "halmazállapot-változásával" jött létre a későbbi korszakok főszereplője, a forró részecskeplazma. Még korábban pedig a kvantumgravitáció uralkodott, amelyről jelenleg nem tudtok semmit, és erre nagyon büszkék is vagytok, hiszen azt legalább értitek, hogy milyen matematikai nehézségek miatt nem lehet összebékíteni a két legáltalánosabb fizikai elméletet, a részecskéket leíró kvantumelméletet és a gravitációt magyarázó általános relativitáselméletet. E két elmélet összeegyeztetéséért, a majdani kvantumgravitációs elméletért kb. 2052-ben adják ki az első Nobel-díjat. Fiatalok, lehet igyekezni! Ha ez meglesz, még mélyebbre pillanthattok a múlt mélységes kútjába, fizikai tudásotok még jobban meg fogja közelíteni a Nagy Bumm pillanatát. Hogy lehet az, hogy senki sem volt ott "akkor", és mégis ennyire alá van támasztva, hogy mi is történt? És ha nem is így volt? [AFeketeDalnok] Természetesen egyetlen tudományos elmélet sem adja meg a Végső Választ, de egyre jobban megközelíti azt. A szokásos (természet-)tudományos módszer működik itt is: a tapasztalatok alapján elméleteket állítotok föl, ezek alapján számításokat végeztek és a világ új, még nem ismert tulajdonságait jósoljátok meg. Ezután ezeket összehasonlítjátok az új csillagászati tapasztalatokkal - és ha kell, korrigáljátok a modelleket. Ebben a folyamatban a 2000-es évek elején drámai előrehaladás történt: az Univerzumot kitöltő anyag számos új tulajdonságát sikerült pontosan megmérnetek, és ezzel a versengő elméletek közül kiválasztani a legmegfelelőbbet. Ma már a kozmológiátok nem önkényes spekulációk és vad elképzelések halmaza, hanem a fizika más ágaihoz hasonlóan nagy pontossággal végzett méréseken és részletesen kidolgozott elméleteken alapuló természettudomány. Finomodhat, pontosabb lesz, de a lényeges tényekben és alapkérdésekben már nem fog durván változni. Mikor születtek az első galaxisok? [elektron567] Az Univerzum tágulását leíró forgatókönyv korábbi verziói szerint egy-két milliárd évvel a Kezdet után. Újabban azonban a csillagászok olyan távoli galaxisokat is találtak, amelyek már pár százmillió évvel utánam is léteztek. Újra kell tehát gondolni és számolni a forgatókönyveket. Ami nem is baj, és amúgy is aktuális, hiszen az egész rekonstruált kozmológiai történet leginkább kérdéses, leggyengébb lábakon álló része a galaxisok képződése, ennek ideje, mechanizmusa, részletei. A következő években ezen a téren sok új és érdekes eredmény, fejlemény várható, tessék szorgalmasan olvasni az [origo] tudományos rovatát, valamint a http://hirek.csillagaszat.hu/ weblapot...

Az Univerzum jövője: örökké tartó tágulás

<< 2/3. oldal >>

Ősi galaxisok a Hubble-űrtávcső felvételén Könyvajánló A kozmológiai tudomány fejlődésének (majdnem) napjainkig tartó, érdekes, számos résztvevő és szemtanú személyes emlékeire is hivatkozó összefoglalásául ajánlom a következő könyvet: S. Singh: A Nagy Bumm (Park kiadó, 2006).  Ajánlat A legújabb adatok az ősi UniverzumrólGondok az Ősrobbanás körülKépek a világ kezdeteiről: feltárulnak a fiatal Univerzum titkaiA Világegyetem nagy egyesítéseAz Univerzum és az emberiség sötét jövőjeSötét energia uralja a VilágegyetemetAz első égitestek sugárzása Ha az Ősrobbanás óta tágul a Világegyetem, akkor mi van azon túl (ha tágul, akkor van hova alapon)? [kismu] Nincs hová. Az anyag minden teret betölt, és nincs tér a téren túl. Ez a tér viszont folyamatosan nő, de nem egy környező nagyobb valamibe tágul. Kénytelen vagyok elmondani a sokszor idézett (és sokszor félreértett), bár kissé pontatlan hasonlatot: a világ olyan, mint egy gumilabda felszíne, ezen a pöttyök a galaxisok. A labda felfújásakor a galaxisok folyamatosan távolodnak egymástól, de nem azért, mert a felszín egyre nagyobb területet tölt be egy már korábban is létező síkon (mint például a padlón egy egyre terjedő pocsolya). A gömb felszíne, azaz a tér, mégis folyamatosan nő. A hasonlat egyrészt azért sántít, mert a gömb felszíne véges, az Univerzum pedig a legújabb méréseitek szerint végtelen, másrészt a hasonlatban mindenki úgy képzeli maga elé a gumilabdát, hogy a környező háromdimenziós térbe ágyazza. Próbáljátok elképzelni a labdát az őt körülvevő és a labda belsejében lévő tér nélkül (úgysem fog sikerülni), és akkor jó képet kaptok a Világegyetem tágulásáról. Az emberi fantázia és térszemlélet persze véges, nehezen tud ilyesmit elképzelni, ezért az emberiség egy kollektív érzékszervet fejlesztett ki az elképzelhetetlen elképzelésére és leírására. Úgy hívják: matematika. Igaz-e az új hír, hogy a Világegyetem csak kezdetekben tágult egyre lassabban, jelenleg pedig gyorsuló ütemben tágul? [Nettesheim] A legújabb, az 1990-es és 2000-es években végzett méréseitek szerint valóban ez a helyzet: a lassuló tágulás kb. 3 milliárd évvel ezelőtt gyorsulóba váltott. A méréseket egyes tudósok még vitatják, tehát nem kell rá letenni a nagyesküt. (Én persze tudom a választ, és érdeklődve várom, hogy mikor jöttök rá.) Nagy kérdés, hogy mi a gyorsuló tágulás oka. Hasonló kérdés az is, hogy mi volt a korábbi tágulás lassulásának oka. Az utóbbi kérdésre a válasz természetesen a gravitáció: a galaxisok kölcsönös vonzása fékezte a tágulás ütemét. A gyorsuló tágulást tehát valamilyen antigravitációs tényező okozhatja. Nem kell persze rohannotok a paraemberekhez, vagy antigravitációs autórészvényeket venni: ennek az elméleti feltételezésnek az esetleges gyakorlati alkalmazása még igen messze van. Az antigravitáció oka lehet Einstein híres kozmológiai állandója, amelyet 1917-ben tételezett fel, majd a Világegyetem tágulásának felfedezésekor visszavont, és élete legnagyobb tudományos tévedésének nevezett - ezek szerint tévesen. (Nagy embereknek a tévedései is zseniálisak.) Egy másik lehetőség a tágulás okára egy speciális anyagfajta létezése lehet. Ennek a feltételezett anyagnak igen lírai neveket adtatok: sötét energia, inflaton, kvinteszencia... Hasonló anyagfajta egyszer már létezett az Univerzumban, a másodperc igen kis törtrészével a Nagy Bumm után, és akkor igen nagy mértékű, gyorsuló tágulást okozott: ez volt a nevezetes inflációs korszak. Lehet, hogy most egy újabb infláció kezdetén jártok. Lesz-e a Világegyetem élete végén Nagy Reccs, az Ön ellentéte? [cordoba] Pillanatnyi tudásotok szerint nem lesz. A korábbi tágulási modelleknek, melyeket 1921-ben Fridman dolgozott ki, három lehetséges kimenetele volt: a világ egyre lassulva tágul a végtelenségig, vagy a tágulás egyszer megáll és összehúzódásba csap át, amelyet a Nagy Reccs zár le ( a harmadik lehetőség a kettő közti határeset volt). Sokáig nem tudtatok dönteni a lehetőségek között, mert nem voltak elég pontosak a tágulás mai ütemére és a Világegyetem mai anyagsűrűségére vonatkozó méréseitek. A kozmológia állandó rehabilitálása e három lehetőséget számos újabbal bővítette. A kozmológia már említett forradalma, amely az ezredforduló körüli években zajlott le, és amely spekulációk gyűjteményéből mérésekkel alátámasztott természettudománnyá tette az Univerzum fizikáját, választ adott erre a kérdésre is: méréseitek szerint a tágulás nem fordul összehúzódásba, hanem örökké tart, sőt - mint az előző válaszban szó volt róla - egyre gyorsuló lesz. Nagy Reccs tehát nem lesz, helyette másfajta borzalmas vég vár a világra: a Nagy Brrr (Big Chill) vagy a Nagy Sutty (Big Rip). Ezeknek a részleteiről esetleg egy későbbi interjúban beszélgethetünk. A Világegyetem hosszútávú jövőjéről és a végkifejlet lehetséges forgatókönyveiről ajánlok egy remek könyvet: P. Davies: Az utolsó három perc (Kulturtrade, 1996). Persze a nemrég felbukkant Nagy Sutty ebben még nincs benne...

Nincs versenyképes elmélet

<< 3/3. oldal

Könyvajánló Az Univerzum eredetére és első korszakaira, a cikkben érintett filozófiai kérdésekre vonatkozó kérdések alapos, olvasmányos, és persze az itteninél részletesebb áttekintése olvasható a következő könyvben: J. Barrow: A Világegyetem születése (Kulturtrade, 1996). E könyv irodalomjegyzéke számos kozmológiai, valamint kapcsolódó csillagászati és fizikai részletkérdéshez ajánl magyar nyelvű ismeretterjesztő irodalmat.  Ajánlat A legújabb adatok az ősi UniverzumrólGondok az Ősrobbanás körülKépek a világ kezdeteiről: feltárulnak a fiatal Univerzum titkaiA Világegyetem nagy egyesítéseAz Univerzum és az emberiség sötét jövőjeSötét energia uralja a VilágegyetemetAz első égitestek sugárzása Azt olvastam, hogy sok ősrobbanás volt, és sok világegyetem van, párhuzamosan. Ez igaz? [exmachina] Elképzelhető. Én is csak a ti tudósaitok cikkeiből tudok róluk. Lehet, hogy vannak, de hozzám semmi közük. Párhuzamos létünknek épp az (lenne) az értelme, hogy - akárcsak a geometriai párhuzamosok - sohasem találkozunk. Mindenesetre ennek a sok Univerzumot tartalmazó hipotetikus komplexumnak nevet már adtatok: Multiverzum. Lehetséges-e, hogy az Univerzum pulzál, azaz főnixként újjászületik a Nagy Reccs után? [joco] Mint már említettem, tudományotok mai állása szerint nem lesz Nagy Reccs - bár éppen lehetne, ez nem mondana ellent semmilyen tudományos alapelvnek. De a "feltámadó" Univerzum már igen! Korábban divatos volt a "pulzáló Világegyetem" gondolata. Eszerint a tágulást összehúzódás váltja fel, jön a Nagy Reccs, majd az Univerzum egy újabb Nagy Bummal mintegy újjászületik, jön a következő ciklus, és így tovább a végtelenségig. Ez az ötlet nem tekinthető korrekt matematikai vagy fizikai modellnek. Az általános relativitáselméletből nem következtethetünk ilyen "reprocesszálásra", sőt matematikailag inkább az ellenkezője igaz: az elméletben alkalmazott matematika kizárja a megoldások folytatását a végtelen sűrű és forró szinguláris ponton túlra. Az ötlet inkább filozófiai, esztétikai indíttatású: a mai ember egyszerűen nem tudja elképzelni, elhinni a térben vagy időben véges Világegyetem gondolatát - mint azt több, e fórumon feltett kérdés is bizonyította. Annyira hozzászoktatok a térben és időben végtelen világ képéhez, hogy az ellenkezőjét torznak, csonkának látjátok, és inkább megerőszakoljátok a matekot és a fizikát, csak hogy "ideológiailag" kielégítő modellhez jussatok. (Egy hasonlat: aki nem akarja elfogadni, hogy az Északi-sarkon nem értelmes az "egy lépést északra" felszólítás, feltételezheti, hogy a Sarkon a földgömbhöz hozzá van ragasztva egy másik földgömb, és azon lehet tovább masírozni északra. Ebből persze végtelen sok további földgömb léte is következne... Ilyen abszurd képzetekhez vezethet az ideológiai alapú ragaszkodás egy korlátozottan alkalmazható gondolathoz. Matematikailag teljesen hasonló a pulzáló Világegyetem ötlete is.) Az egészben az a paradox, hogy 1600-ban Giordano Brunot éppen azért égették meg, mert a korábbi véges világ helyett bevezette a térben és időben végtelen Világegyetemet - amit az akkori emberek egyszerűen nem bírtak elképzelni, és ezért elfogadni. Még mondja valaki, hogy nincs fejlődés: ma a magyar könyvesboltok tele vannak az "Einstein hülye volt" vagy hasonló című könyvekkel, de komolyan tudtommal senkinek sem jutott eszébe, hogy Einsteint meg kellett volna égetni a térben és időben véges Világegyetem gondolatáért :) Vajon ugyanolyan lenne a következő nagy bumm is? Ugyanolyan világ keletkezne, mint amilyen most van? [kivancsi] Mit jelenthet a "következő Nagy Bumm"? Válasszuk többfelé a kérdést. Az egyik lehetőség a korábban tárgyalt pulzáló Világegyetem lenne, a másik pedig a párhuzamosan létező Univerzumok sokasága. Mindkét esetben felmerül a kérdés: azonosak-e a fizikai törvények a különböző világokban. Erről természetesen semmit sem tudhatunk (sem ti, sem én, hiszen csak egyetlen ilyen világon belül létezünk), de spekulálhatunk róla. A fizikai törvények különbözőségének számos fokozata van. A legenyhébb, ha arra gondolunk, hogy a törvényeket leíró képletek azonosak, de a bennük szereplő fizikai állandók (pl. a fénysebesség, a Planck-állandó, a gravitációs állandó, az elektron töltése vagy tömege stb.) kissé különböznek a miénktől. Fizikátok és kozmológiátok egyik legnagyobb horderejű huszadik századi felismerésének tartom, hogy rájöttetek: egy ilyen, csak néhány paraméter értékében kissé megváltoztatott világ gyökeresen másképp viselkedne, nagyon más tulajdonságokkal rendelkezne, mint a mi világunk. Például egyáltalán nem lennének benne atomok. Élet pedig semmiképpen. A mi világunk paraméterei éppen olyanok (véletlenül? szándékosan? törvényszerűen?), hogy lehet benne élet - és persze van is. E témára "antropikus elv" vagy "a lakható Világegyetem" címszó alatt szoktak hivatkozni. Mostanában sok könyv és cikk jelenik meg erről a témáról, mutatóba kettő: M. Rees: Csak hat szám (Vince kiadó, 2000) és Székely L.: Az emberarcú kozmosz (Áron kiadó, 1997). A multiverzum-modell, a párhuzamosan egymás mellett létező, de egymástól pont e paraméterek értékében különböző világok sokaságának feltételezése épp arra jó, hogy természetes magyarázatot szolgáltasson e furcsaságra: a sok közül épp abban a világban éltek, amelyben lehetséges az élet. Tegyük fel az ellenkezőjét: sok világ létezne (egymás mellett vagy egymás után), hajszálra egyforma fizikai törvényekkel és állandókkal. Mégsem lennének egyformák! Az anyag konkrét története egyszeri. Véletlenszerű események, egyedi ütközések, katasztrófák, történelmi "szűkületek" szabják meg a folyamatok további irányát. Nagyon meglepődnétek, ha egy szomszéd csillaghoz irányított űrszonda saját Naprendszeretek pontos másáról hozna hírt: nyolc bolygó az ismert pályákon, adott méretekkel, a megfelelő holdak és kisbolygók... Miért e meglepetés? Mert a Naprendszer kialakulása számos véletlenszerű, egyedi esemény következménye, ezek megismétlődése egy másik helyen abszolút valószínűtlen. Hasonló a helyzet a földi biológiai evolúcióval is: ha azonos feltételek mellett újrakezdődne, akkor most talán értelmes delfinekkel vagy denevérekkel chatelnék (vízhatlan billentyűzettel vagy ultrahangokkal), de még valószínűbb, hogy nem lenne értelmes élet a Földön. Az Univerzum is egyedi, evolúciós fejlődésen átmenő rendszer: egy másik hasonló Univerzum részletei bizonyosan különböznének a tietekétől, és biztosan hiába keresnétek benne a Föld pontos mását. Lehetséges-e hogy egyszer teljesen megértjük majd az Ön kialakulását? [kalozz] Remélem, nem. Ha egy adott témáról már valóban MINDENT tudtok (ha ez egyáltalán lehetséges), a terület unalmassá válik, nem jelent intellektuális kihívást a művelése. Az emberiség történetének, ezen belül a nyugati kultúra utolsó fél évezredének egyik fő tanulsága az, hogy a természet ismeretlen jelenségei megértésének, megmagyarázásának, és - igen! - gyakorlati kihasználásának vágya, igénye hatalmas húzóerőt jelentett az emberi szellem fejlődésében. A modern ipari technológiák kialakulása gyökeresen megváltoztatta mindennapi életeteket, kultúrátokat, gondolkodásotokat. Ez a változás persze számos ellentmondást, sőt veszélyes helyzetet is teremtett, lásd például a közelgő klímakatasztrófát. De e negatív fejleményekkel szemben is csak a természettudományos alapkutatásokra támaszkodó modern technikával felfegyverkezve tudjátok felvenni a harcot (persze elegendő társadalmi, politikai és anyagi támogatás esetén). E szédületes mértékű és sebességű fejlődés motorja az ismeretlen megismerésének vágya volt. Ha már nem lesz mit megismerni, csak az összegyűjtött teljes ismeretanyagot lehet ragozni, permutálni, ez az intellektuális izgalom elhal, a technika és valószínűleg a szellem fejlődése véget ér. Kívánom, hogy ezt az állapotot sohase érjétek el, mindig maradjon a Világban izgalmas kihívás, kutatni- és felfedeznivaló. Nagy Bumm...TE Isten vagy? [ördöglányka]Az én világomban nincsen Isten. Pontosabban: az én világomban lehetséges az élet, itt vagytok ti, és Isten a ti fejetekben van. Evolúció vagy teremtés? Szerinted??? [angyali_krisz]Természetesen evolúció. Az anyag egyetlen alkalommal keletkezett és utána saját törvényei szerint fejlődik - az értelemig és tovább. Te vagy az egyetlen elmélet a Világegyetem kialakulására? [Indian Joe] Ma már igen. Néhány évvel ezelőtt még igen sok versengő elmélet volt a pályán, de a kozmológiai mérések már többször említett forradalma egyszerűen elsöpörte őket. Az ún. kozmológiai Standard Modell igen részletes előrejelzéseket adott, például a kozmikus háttérsugárzásban észlelt százezred résznyi ingadozásokkal kapcsolatban. Ezeket a jóslatokat a mérések nagy pontossággal megerősítették. A konkurens elméletek egyszerűen nem jutottak el a hasonló pontosságú jóslatok kiszámításáig sem. Ma nincs versenyképes konkurens elmélet. Persze később még születhet - de ezeket a most megismert tényeket, adatokat az új elméletnek is reprodukálnia és magyaráznia kell. Kit tisztelhetünk a Nagy Bumm nick "mögött"? [sun_light!] Hát végül csak lebuktam: a Nagy Bumm nevében Dávid Gyula fizikus beszélt. Ha valakit a téma részletesebben is érdekel, számos hasonló témájú előadásomat megtalálja hang- és videofelvétel formájában a Magyar Csillagászati Egyesület Polaris Csillagvizsgálójának weblapján:http://polaris.mcse.hu/archivum/. Köszönöm az érdeklődést és a kérdéseket, viszontlátásra kb 13 milliárd év múlva! [origo]

Gondok az Ősrobbanás körül

Egyre több kritika éri a Világegyetem keletkezésének Ősrobbanás (Big Bang) elméletét. A rejtélyes sötét energia kényszerű bevezetése után most az egyik legalapvetőbbnek vélt bizonyítékkal, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzással is "problémák" vannak.

A WMAP űrszonda (illusztráció)

Legutóbb Richard Lieu profeszor és munkatársa, Jonathan Mittas (Alabamai Egyetem, Huntsville) az Astrophysical Journal c. rangos szaklap hasábjain fogalmazta meg kétségeit. Szerintük a Világegyetem mikrohullámú háttérsugárzásában megfigyelt hideg foltok mérete túlzottan hasonló. Ez az érték viszont éppen akkora, amilyenre egy lapos Univerzumban lehetne számítani.

A Világegyetemet kitöltő mikrohullámú háttérsugárzást 1965-ben fedezték fel. Ez a ma 2,7 kelvin hőmérsékletű sugárzás a magas hőmérsékletű, táguló, korai Világegyetem sugárzásának lehűlt maradványa. A sugárzási tér akkor alakulhatott ki, amikor a Világegyetem csak háromszázezer éves volt, az akkori 3000 kelvin hőmérsékletről a tágulás során csökkent a sugárzás a mai értékre.

Az utóbbi években a WMAP (Wilkinson Microwave Anistropy Probe) amerikai űrszonda minden korábbinál nagyobb pontossággal megmérte a kozmikus háttérsugárzás eloszlásának kicsiny eltéréseit. A sugárzás eloszlása ugyanis nem tökéletesen egyenletes (ezt már 1992, a COBE űrszonda mérései óta tudjuk). Vannak az átlagos hőmérsékletnél kissé hidegebb tartományok, ezekben a térrészekben alakulhattak ki az ősidőkben a galaxisok és a galaxishalmazok csírái.

Lieu és munkatársai szerint a hideg foltok megfigyelt méretének szélesebb eloszlást kellene mutatnia: jobban el kellene térnie egymástól a mért értékeknek, nagyobb szórást kellene tapasztalnunk az átlagérték körül. Indoklásuk szerint az egyik hideg foltból érkező sugárzás útja során nagyrészt üres téren halad át, míg hozzánk érkezik, egy másik hideg foltból induló sugárzás útjába viszont galaxisok, galaxishalmazok esnek. Gravitációs hatásuk úgy hat az elektromágneses sugárzásra, mint egy lencse - a nagy tömegek eltérítik a közelükben elhaladó sugárzást, megváltoztatják a haladási irányát, ezért műszereinkhez érve a háttérsugárzás elvileg nem a hideg folt eredeti kiterjedését mutatja, hanem annál nagyobbat. A megfigyelt foltnagyságok viszont alig térnek el egymástól, nem szórnak az értékek, azaz a kutatók nem tudták kimutatni a gravitációs lencsehatás fellépését. Az eredményekre több alternatív magyarázat kínálkozik.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás egész égbolton való eloszlása - ahogyan azt egyre részletesebben láthatjuk. Felül az 1965-ös kép, a sugárzás felfedezése után; középen a COBE (Cosmic Background Explorer) űrszonda 1992-es képe, amelyben először láthattuk a hőmérséklet- és sűrűségingadozásokat; alul a MAP új, minden korábbinál részletesebb képe a sugárzásról. A középső sávot a Tejútrendszer korongja takarta ki (kép: NASA)

Lehetséges, hogy a számításokban használt kozmológiai paraméterek (a Hubble-állandó értéke, a sötét anyag mennyisége stb.) nem jók. A paraméterek változtatásával el lehet érni, hogy a modell is keskeny eloszlást adjon meg a hideg foltok méretére. A paraméterek kellő módosítása után a lencsehatást is be lehet építeni a modellbe. Ez a legkonzervatívabb megoldás, de a modell átdolgozásához vezet, hiszen a számításokban eddig használt paraméterek értéke más megfigyelési adatokhoz való illesztésből származik.

Merészebb feltevés szerint a háttérsugárzás hidegebb foltjai nem a Világegyetem korai korszakának a maradványai, nem az akkori helyzet emlékét őrzik, hanem valamilyen más, a közelünkben végbemenő fizikai folyamatból származnak. Ez esetben logikus, hogy nem sikerült kimutatni a gravitációs lencsehatást. Lehetséges, hogy abban a hatalmas térben, amelyet a sugárzás bejár, létezik valamilyen ismeretlen hatás, amely lecsillapítja az általunk várt hatásokat?

A legvitathatóbb feltevés szerint pedig a háttérsugárzás egyáltalán nem az Ősrobbanás maradványa, hanem valamilyen más folyamatban keletkezett a közelünkben, ezért nem is kellett gravitációs lencsehatást elszenvednie.

A háttérsugárzás hideg foltjainak elemzése csak egy az Ősrobbanás elméletét kétségbe vonó friss elképzelésekből. A kritikus vélemények szerint egyre újabb, ellenőrizhetetlen feltevéseket illesztenek a modellekbe, hogy összhangot teremtsenek a megfigyelési adatokkal. Az első ilyen nagyobb lépés az őstörténet ún. inflációs szakaszának feltételezése volt: eszerint közvetlenül megszületése után a fénysebességnél gyorsabban tágult volna a Világegyetem. A legfrissebb fejlemény a sötét energia (a gravitációval ellentétes hatású "taszítóerő") fogalmának bevezetése, amire azért volt szükség, hogy magyarázatot adjanak a Világegyetem gyorsuló ütemű tágulására. A sötét energiát azonban még senki sem észlelte, nem mérte, és a mibenléte is teljesen ismeretlen. Nem csoda, ha néhányan más úton keresik a megoldást.

Feladták a leckét a Spitzer-űrteleszkóp mérési eredményei is. Az Ősrobbanás után 600 millió - 1 milliárd évvel kialakult galaxisokban vörös óriás típusú csillagokat észleltek. Vörös óriás állapotba öregkorukban kerülnek a csillagok, amikor már elégették az összest hidrogént. 1 milliárd év viszont ehhez nem elég. A fiatal Világegyetemben olyan halmazokat és szuperhalmazokat is találtak, amelyek kialakulására az Ősrobbanás-modellre alapozva ismereteink szerint szintén nem lehetett elegendő idő.

Jéki László

A Világegyetem nagy egyesítése

A kölcsönhatások egységes elméletének megalkotása választ adhat a kozmológia alapkérdéseire. A táguló Világegyetem valóban a múlt egy meghatározott időpillanatában kezdődött? A mi Ősrobbanásunk csak egyetlen epizód egy sokkal nagyobb Világegyetemben, amelyben örökösen kisebb és nagyobb ősrobbanások történnek? Ha így van, akkor a mi állandóink és törvényeink robbanásról robbanásra változnak?

AJÁNLAT

A unified physics by 2050?Steven Weinberg cikke a Scientific American különszámában (csak díj ellenében elérhető):

LINKTÁR

Bővebben az elemi részecskékről

Az alábbi összeállítás egy sorozat harmadik része, amely a Scientific American c. tudományos-ismeretterjesztő lap a fizikai tudás határaival foglalkozó különszáma alapján készült. Steven Weinberg "a mindenség elméletével" kapcsolatos cikkét Jéki László fizikus "szelídítette meg" és egészítette ki olvasóink számára.

A fizika szeretné egységében megérteni és leírni a természetet. A négy alapvető kölcsönhatás keresett egységes elmélete lenne a TOF - Theory of Everything, "a mindenség elmélete". Talán 2050-re megszülethet - írja Steven Weinberg, aki 1979-ben az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatás egységes elméletének egyik megalkotójaként kapott fizikai Nobel-díjat.

Newton a 17. században a földi és az égi mechanikát egyesítette, a 19. század végén J. C. Maxwell alkotta meg az elektromosság és a mágnesség egységes elméletét. Einstein eredménye a gravitáció elmélete, de a gravitáció és az elektromágnesség egységes elméletét nem sikerült megtalálnia. Később az elemi részecskéket, a köztük ható erőket leíró Standard Modell (SM) keretében megszületett az elektromágneses erő és a radioaktív átalakulásokat kormányzó gyenge kölcsönhatás egységes elmélete. A Standard Modell hasonló módon képes az atommagokban a protonok és neutronok között, és a protonokat alkotó kvarkok között ható erős kölcsönhatás leírására is. A fizikusok már lehetőséget látnak az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás egységes leírására, ez lenne a "nagy egyesítés" (GUT - Grand Unification Theory). Arra gyanakszanak, hogy a kölcsönhatások közti különbségek a Világegyetem történetének kezdetén, röviddel az Ősrobbanás után lezajlott átalakulások során alakultak ki. Az őstörténetet viszont nem érthetjük meg a gravitáció alaposabb ismerete nélkül.

A részecskefizika Standard Modellje (SM) kvantumtérelmélet. Alapösszetevői a terek, ezeknek apró fodrozódásai energiát és impulzust hordoznak egyik helyről a másikra. A kvantummechanika szerint ezek a fodrozódások csomagokban jelentkeznek, ezeket észleljük elemi részecskeként a laboratóriumokban. Az elektromágneses tér kvantuma a foton. A SM-ben minden részecskecsaládhoz külön tér tartozik. A leptontérhez tartozik az elektron, a müon, a tau-részecske és a neutrínók. A különböző típusú kvarkokhoz más terek tartoznak. A részecskék közti erőhatás valójában részecskék cseréje; az elektromágneses kölcsönhatást a fotonok, a gyenge kölcsönhatást a W- és Z-részecskék, az erős kölcsönhatást 8 féle gluon közvetíti.

A részecskék tömege széles tartományt fog át, a legnehezebb kvark tömege például 350 000-szerese az elektronénak. A SM azonban nem tud magyarázatot adni arra, hogy egyáltalán miért van tömege a részecskéknek, s ha van, akkor miért pont akkora. A tömeg létrehozására egy újabb teret vezettek be a fizikusok. Ez egy ún. skalártér, ahol a skalár szó arra utal, hogy a tér nem irányérzékeny. A skalárterek átjárják a teljes teret, a skalárterek és a többi tér kölcsönhatása ad tömeget az SM részecskéinek. Az elméletben jól bevált skalárterek létezése azonban még bizonyításra szorul. Az is vitatott, hányféle lehet belőlük. Még nem sikerült megtalálni ezeknek a tereknek a kvantumát, az ún. Higgs-részecskéket (létezésük lehetőségét Higgs angol fizikus vetette fel először.) Reálisan arra lehet számítani, hogy a genfi részecskefizikai kutatóközpontban, a CERN-ben jelenleg épülő óriásgyorsítónál (fent) 2020-ig sikerül majd létrehozni és kimutatni a Higgs-részecskéket.

A Standard Modell megoldásra váró másik rejtvénye a hierarchia-probléma. A ma ismert legnagyobb részecske tömege 175 GeV. (GeV = gigaelektronvolt, azaz milliárd elektronvolt; tömeg és energia megadására egyaránt használt egység; 1 proton tömegének megfelelő energia valamivel több, mint 1 GeV.) A keresett Higgs-részecskék tömege a 100 GeV - néhány száz GeV tartományban várható. Az egyesített (GUT) elméletben viszont sokkal nagyobb tömegek megjelenésére számítanak. A kölcsönhatások neve (erős, gyenge) is utal arra, hogy a ma vizsgált tartományban eltérő az erősségük. A legerősebb az erős kölcsönhatás, a leggyengébb a gravitáció. A hidrogénatomban a proton és a neutron közti gravitációs erő az elektromos erő erősségének mindössze 10^-39 -szerese, azaz csaknem 40 nagyságrenddel gyengébb. A terek, a kölcsönhatások egymáshoz viszonyított erőssége jelentősen függ attól, hogy milyen energián hasonlítjuk össze őket egymással. Számítások szerint a Standard Modellben még egymástól jelentősen különböző kölcsönhatások is valahol 10¹⁶GeV táján egyenlő erejűvé válnak. A gravitáció 10¹⁶-10¹⁸ GeV táján válik a többi kölcsönhatással azonos erejűvé. A SM-ben már jelentős eltérés volt a részecskék tömege között, az elektron és az ún. top kvark tömegaránya 1:350 000, de ez semmi az egyesítési energiatartomány (10¹⁶ GeV) és a 100 GeV tartomány közti különbséghez képest: az az eltérés 14 nagyságrend, vagyis százbilliószoros. A hierarchia probléma lényege ez a hatalmas ugrás az energiaskálán, ezt lenne jó megérteni. Mégpedig úgy, hogy alapvető elvek következményeként váljék világossá.

Az elméleti fizikusok már eddig is több megoldást javasoltak a hierarchia-problémára. Új szimmetriát vezetnének be, a szuperszimmetrikus világban minden részecskének új párja jelenne meg. A "technicolor modellben" a kvarkokat összetartó "színes" erőkhöz hasonló új kölcsönhatásokat vezetnének be, a húrelméletben parányi húrok, hurkok, membránok az alapegységek, amelyek az ismert az alacsony energiákon részecskeként viselkednek. (A "színes" erők színei természetesen nem színesek, a húrok sem valódi húrok, ezek csak az eszmecserét megkönnyítő elnevezések.) Valamennyi elméleti megoldás a ma ismertekhez képest további új erőket vezet be, ezek is 10¹⁶ GeV táján egyesülnének a többi erővel. Ezek az új erők jóval 10¹⁶ GeV alatt is hatnak már, de nem tudjuk őket megfigyelni, mert nem hatnak a ma ismert részecskékre. Olyan nehezebb részecskékkel hatnak kölcsön, amelyeket nagy tömegük miatt viszont laboratóriumban nem tudunk előállítani. Ezek a nagyon nehéz részecskék azonban hathatnak az SM-részecskékre. A nagyon nehéz részecskék közbenső helyet foglalnak el valahol a 100 és a 10¹⁶ GeV között, ezzel a hierarchia-probléma is megoldódna.

Az új elméleti lehetőségek mindegyike egy sor új, nagyjából 1000 GeV tömegű részecske létezésével számol. Ha ezek valóban léteznek, akkor a CERN új gyorsítójában 2020-ig megtalálhatjuk őket. Lehet, hogy az Ősrobbanás után keletkeztek ilyen részecskék, és ma ezek hordozzák a Világegyetem "sötét anyagát"?

A 10¹⁶ GeV energiatartomány távlatilag is elérhetetlennek tűnik, ekkora energia eléréséhez néhány fényév átmérőjű részecskegyorsítóra lenne szükség. Az ebben az energiatartományban zajló folyamatok viszont hatással lehetnek a kisebb energiák tartományában zajló történésekre. Arról lehetne felismerni őket, hogy ezek a folyamatok kívül esnek a Standard Modell által megszabott kereteken, lehetőségen - olyan történések ezek, amelyeket az SM tilt. Ilyen lehet a stabilnak tartott szabad protonok bomlása, ennek jeleit mindmáig hiába keresték. Ilyen lehet, ha a SM-ben nulla tömegűnek tartott neutrínóknak mégis van tömege - emellett már szép számmal vannak közvetett kísérleti bizonyítékok Az elméleti fizikusok azzal számolnak, hogy a nagyon nehéz részecskék hatása a tömegükhöz képest kis energiákon nagyon gyenge. A nagy energiákon erős új kölcsönhatások jeleit a kis energiákon gyengeségük miatt nem észleljük.

Az új egységes elmélet megszületéséhez valószínűleg radikálisan új elgondolásokra is szükség lesz, tartja Weinberg. Ilyenek lehetnek a húrelméletek, amelyekből már ötféle létezik. Ezek kis energiákon reprodukálják az ismert részecskéket, 10 téridő-dimenzióban jól leírják együttesen a gravitációt és a többi erőt. (Természetesen nem 10 dimenzióban élünk, a 10-ből 6 dimenzió 10¹⁶ GeV/részecske energia alatt egyszerűen nem figyelhető meg.)

Ma még nem tudjuk, milyen alapelvek kormányozzák majd az egységes elméletet. Ha sikerül is egy egységes elméletet megalkotni, esetleg nem tudunk majd belőle ellenőrizhető következtetéseket levonni. Lehet, hogy valaki már holnap közzéteszi az egységes elméletet, de lehet, hogy 2150-ig sem születik meg. Ha meglesz az elmélet, akkor sem fogunk tudni kísérletezni 10¹⁶ GeV energiánál, és nem tudunk bepillantani a többi dimenzióba. Az új elmélet helyességének ellenőrzésére egyetlen lehetőség marad: magyarázatot ad a Standard Modellben szereplő nagyszámú, tapasztalati úton bevezetett állandó értékére, és leírást ad a Standard Modellen kívül eső megfigyelésekre.

Lehetséges, hogy új problémákra bukkanunk, miután megértettük a 10¹⁶ GeV energiákig terjedő világot, és az elméletek nagy egyesítése éppoly távoli lesz, mint most. Fogalmunk sincs, mi lehet 10¹⁶GeV felett - a húrelmélet szerint a nagyobb energiáknak egyszerűen nincs értelme.

A kölcsönhatások egységes elméletének megalkotása választ adhat a kozmológia alapkérdéseire. A táguló Világegyetem valóban a múlt egy meghatározott időpillanatában kezdődött? A mi Ősrobbanásunk csak egyetlen epizód egy sokkal nagyobb Világegyetemben, amelyben örökösen kisebb és nagyobb ősrobbanások történnek? Ha így van, akkor a mi állandóink és törvényeink robbanásról robbanásra változnak? Ha ezekre választ kapunk, akkor sem lesz vége a fizikának. Ezek az ismeretek sem adják meg a turbulens jelenségek vagy a magas hőmérsékletű szupravezetés leírását.

Jéki László

Elkészült az eddigi legnagyobb Univerzum-modell

A Virgo nevet viselő nemzetközi asztrofizikus csoport szuperszámítógépek segítségével modellezte a Világegyetem történetének azt a szakaszát, amelyben a galaxisok és a kvazárok kialakultak. Számításaik eredményeit összevetették a megfigyelési adatokkal. Az egyezésekből és az eltérésekből ki lehet következtetni, milyen fizikai folyamatok játszódtak le a korai Univerzumban. Az eddigi legnagyobb szimulációs modellel elért eredményeket a Nature közli.

A sötét anyag eloszlását is modellezték, és ez az első eset, hogy figyelembe vette a sötét energia létezését

Az 1994-ben szuperszámítógépes kozmológiai szimulációkra létrehozott Virgo konzorciumban brit, német, kanadai, japán és amerikai kutatók dolgoznak együtt, elsősorban brit és német kutatóintézetek szuperszámítógépein. Millennium Szimulációnak keresztelt legújabb modelljükben a Világegyetemet egy 2 milliárd fényév oldalélű kockával helyettesítették, és több mint tízmilliárd alkotórészt (anyagdarabot) helyeztek el ebben a térfogatban. Ekkora részecskeszámmal még sohasem végeztek számításokat. Az égboltot feltérképező mérések szerint a kiválasztott térfogatban a valóságban körülbelül 20 millió galaxis található, középpontjukban pedig szupernehéz fekete lyukak ülnek. A modell segítségével azt vizsgálták, hogyan fejlődhettek ki az anyagcsomókból ezek a szerkezetek.

A modell egyébként a kozmológia legfrissebb eredményeire épült. Az egyre gyorsuló tágulást előidéző sötét energia arányát 70%-nak vették, kb. 25% az egyelőre ismeretlen sötét anyag részaránya, a fennmaradó 5% a jól ismert atomos anyag, döntő részben hidrogén és hélium. Korábban még nem végeztek a sötét energia létezését figyelembevevő részletes modellszámításokat.

A Millennium Szimuláció az Ősrobbanás után négyszázezer évvel fennállt állapotokból indul ki. Az anyag és a sugárzások akkor még csaknem egyenletesen oszlottak el, csak nagyon kis eltérések, finom fodrozódások jelentkeztek. Ezt a korszakot a mikrohullámú sugárzás nagyon kis eltéréseit kimérő műholdak adataiból ismerjük. Ezekből az alig észrevehető eltérésekből alakult ki idővel a Világegyetem ma ismert szerkezete: a gravitáció hatására az anyag összecsomósodott, galaxisok, galaxishalmazok jöttek létre. Az új modellszámítások szerint e korai időszak emléke nemcsak a mikrohullámú sugárzásban őrződött meg, hanem a galaxisok mai eloszlásában is kimutatható. 

Egy másik eredmény, hogy sikerült nyomon követni a fekete lyukak kialakulását. Sok szakember vélte úgy, hogy a galaxisok fokozatos kialakulásával párhuzamosan, ugyanazzal a mechanizmussal nem jöhettek létre szupernehéz fekete lyukak. A modellszámításokban viszont mindkét formáció kialakult. A fekete lyukakat tartalmazó galaxisok a számításokban akkor jelennek meg, amikor a Világegyetem még mindössze néhány százmillió éves.

A földi és műholdas megfigyeléseknek köszönhetően egyre több, egyre pontosabb, egyre részletesebb információval rendelkezünk a Világegyetem szerkezetéről. Az új elméleti modell pedig korábban nem ismert részletes képet ad a Világegyetem szerkezetéről, ezért jól összevethető a megfigyelések eredményeivel. A megfigyeléseket a modellszámításokkal összevetve szükség szerint módosítani lehet a modell kiinduló feltevéseit. Ezek tartalmazzák azokat a fizikai folyamatokat, amelyek a Világegyetem történetének alakulását kormányozták. A Virgo kutatók reményei szerint a Millennium Szimulációt még hosszú ideig sikeresen használhatják a Világegyetem történetének feltárására.  

Jéki László

Fekete lyukban születhetett az Univerzum

Egy újonnan publikált elmélet szerint az Univerzum olyan robbanással születhetett, amely egy fekete lyukban történt.

A Blake Temple és Joel Smoller (kaliforniai-, illetve michigan egyetem) matematikusok által kidolgozott modell az amerikai tudományos akadémia folyóiratában jelent meg (Proceedings of the National Academy of Sciences). A kutatók szerint olyan elméletről van szó, amely az ún. standard modellt - az Univerzum születését egy kezdeti eseménnyel (Ősrobbanás) magyarázó elméletet - finomítja.

A kozmológia standard modellje szerint az Ősrobbanással született meg minden, azaz az anyag, az energia, de az idő és tér is. Az új modell azonban azt feltételezi, hogy az Ősrobbanás egy már létező térben létező fekete lyukon belül történt, az Univerzum anyaga pedig egy fekete lyuk ellentétén, egy ún. fehér lyukon keresztül "áramlott ki".

Hogy a fehér lyukból kiáramló anyag korábban egy másik fekete lyukban nyelődött-e el, nyitott kérdés - mondják a meghökkentő elmélettel előálló kutatók.

[origo]

Új adatok: örökké tágulni fog az Univerzum

A Chandra űrobszervatórium új felvételei is arra utalnak, hogy mintegy 6 milliárd éve alaposan megváltozott a Világegyetem tágulásának a tempója. Korábban egyre lassuló ütemben, az utóbbi 6 milliárd évben viszont egyre gyorsuló ütemben tágult az Univerzum.

AJÁNLAT

• A Chandra honlapja (NASA)
• Új bizonyíték a sötét energiára
• Az eddigi legjobb képek az Ősrobbanás nyomairól
• Képek a világ kezdeteiről: feltárulnak a fiatal Univerzum titkai

A Világegyetem gyorsuló ütemű tágulása az új felismerések sorába tartozik. Először 1998-ban következtették ki távoli szupernóvák felvételeinek elemzéséből, hogy a Világegyetem - a korábbi felfogással éppen ellentétesen - egyre gyorsuló ütemben tágul. A tágulás üteme csak úgy fokozódhat, ha valamilyen hatás a tömegvonzás ellen dolgozik - ez az ismeretlen erő kapta a "sötét energia" nevet, ahol a sötét szó az ismeretlen jellegre utal. Azóta több bizonyíték gyűlt már össze a sötét energia létezéséről.

A Chandra röntgen-űrobszervatórium felvételein 26 olyan galaxishalmazt tanulmányoztak, amelyek távolsága 1-8 milliárd fényév. A megfigyelési adatok szerint a múltban a sötét energia sűrűsége nem változott gyorsan az idővel, esetleg állandó is lehetett, összhangban az Einstein által bevezetett kozmológiai állandó fogalmával.

Ha viszont a sötét energia változatlan, akkor az Univerzum örökké tágulni fog. A korábbi drámai forgatókönyvek, a Világegyetem önmagába való összeomlása ("nagy reccs"), és a galaxisoktól az atomokig mindennek a szétszakadása ("nagy szétszakadás") bekövetkezése ezek szerint kizárható. Az adatok kiértékelése során egyetlen fontos feltevéssel éltek a kutatók: a hatalmas galaxishalmazokban a forró gáz és a sötét anyag aránya valamennyi halmazban azonos. (Sötét anyag: sugárzásokkal nem ad hírt magáról, mibenlétéről jelenleg csak feltételezések vannak.) Ha ez a feltevés igaz, akkor meghatározható a tágulás ütemének változása. A Világegyetem kezdetben lassuló ütemben tágult, a gyorsuló ütemű tágulás mintegy 6 milliárd éve kezdődött el és azóta tart.

A sötét energia mennyiségének becsléséhez a Chandra adatai mellett a WMAP mikrohullámú tartományban dolgozó műhold méréseit használták fel. Az eredmény: a Világegyetemben 75% a sötét energia, 21% a sötét anyag és mindössze 4% a "szokásos" anyag.

Jéki László

Képek a világ kezdeteiről: feltárulnak a fiatal Univerzum titkai

A NASA nyilvánosságra hozta az eddigi legrészletesebb adatokat a korai Világegyetemről. Az Univerzum kora az új eredmények szerint 13,7 milliárd év, az első csillagok pedig mindössze 200 millió évvel az Ősrobbanás után megjelentek.

A MAP űrszonda (illusztráció)

A NASA nyilvánosságra hozta a fiatal Univerzummal kapcsolatos új, az eddigieket megerősítő és pontosító eredményeket, amelyek mostantól "a modern kozmológia sarokköveinek tekinthetők". Az eredmények a MAP (Microwave Anisotropy Probe) űrszonda mérésein alapulnak. A MAP elkészítette a teljes égbolt kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásának eddigi legrészletesebb térképét. Az új adatokból az Univerzum korát 13,7 milliárd évben lehet megállapítani. Ami igen meglepő, hogy az új adatok alapján az első csillagnemzedék már igen korán, mindössze 200 millió évvel a kezdetek után megjelenhetett, mivel egyes területeken már kialakult az anyag kondenzációjához szükséges alacsonyabb hőmérséklet.

A MAP (Microwave Anisotropy Probe) a kozmikus mikrohullámú sugárzást minden eddiginél részletesebben térképezi fel. Ez a sugárzás hordozza a legősibb információkat az Univerzumról; még jóval azelőtt szabadult fel, hogy az első galaxisok és csillagok kialakultak volna. E sugárzás a legősibb időkből származó "kövület" (egyébként maradványsugárzásnak is nevezik), amelynek elemzésével az Ősrobbanás után mindössze kb. 300 ezer évvel történt eseményeket lehet rekonstruálni. A csillagászok és kozmológusok a megfigyelések eredményeitől remélik olyan alapvető kérdések megválaszolását, mint például

• örökké tágulni fog-e a Világegyetem, vagy visszafordul a tágulás, s egy nagy összeomlásban (Nagy Reccs) végződik;
• valóban a sötét anyag uralja-e az Univerzumot;
• milyen alakú az Univerzum;
• hogyan és mikor keletkeztek az első galaxisok;
• lassulva vagy gyorsulva tágul-e jelenleg az Univerzum.

Az Ősrobbanás egyik legfontosabb bizonyítéka az égbolt minden irányából egyformán mérhető mikrohullámú háttérsugárzás, amelyet Penzias és Wilson fedezett fel 1965-ben. George Gamow már 1940-ben feltételezte, hogy ha valóban bekövetkezett a Nagy Bumm az Univerzum születésekor, akkor a robbanáskor keletkező sugárzás legyengült maradványait ma is meg kell találnunk a világűrben. Ez a sugárzás eredetileg a robbanás fénye volt, de időközben hőmérséklete drasztikusan csökkent, hullámhossza megnyúlt, így már csak a mikrohullámú tartományban mérhető.

Az Ősrobbanást követő időszakban az Univerzumban elképzelhetetlenül magas hőmérséklet uralkodott, így az anyag csak kezdetleges formájában, plazma állapotban volt jelen. Mintegy háromszázezer évvel a Nagy Bumm után a Világegyetem már annyira lehűlt, hogy az atommagok és elektronok atomokká egyesülhettek. Ez volt az a pillanat, amikor anyag és sugárzás elvált egymástól, s a fotonokat már nem nyelték el folyton a szabad elektronok. A mai háttérsugárzás, az Univerzum első sugárzása elindult útjára.

A mikrohullámú háttérsugárzás jellegzetessége, hogy az égbolt minden pontjáról szinte ugyanolyan intenzitással (kb. 2,7 kelvin hőmérséklettel) érkezik. Ebből arra következtethetünk, hogy az Univerzum a korai időszakokban (amikor a sugárzás útjára indult) viszonylag homogén rendszer volt. Az anyagnak többé-kevésbé egyenletesen kellett eloszlania ahhoz, hogy a sugárzás is ilyen egyenletes legyen. Most azonban azt látjuk, hogy a Világegyetemben az anyag galaxisokba, galaxishalmazokba, szuperhalmazokba tömörül, tehát teljesen egyenetlen. Mi történt közben? Valószínűleg a gravitáció fokozatosan összehúzta az anyagot az idő során, így alakulhattak ki a gócok.

Ez a csomósodás azonban csak akkor lehetséges, ha létezett egy olyan kezdeti állapot, amely már eleve nem volt teljesen homogén. Igaz, egy ilyen helyzetben a sűrűségkülönbségek még csak elenyészők, ám a gravitáció hatására rendkívül felerősödnek az évmilliárdok alatt.

Ha nagyon nagy érzékenységű műszereket használunk, akkor felfedezhetők a háttérsugárzásban parányi intenzitáskülönbségek, irregularitások, fluktuációk. Ezek az ingadozások - amelyeket először a COBE (Cosmic Background Explorer) nevű NASA műhold fedezett fel 1992-ben - csupán 1/10 000-nyi mértékűek. Ezek az eltérések tehát bizonyítják, hogy az anyag eloszlása nem volt teljesen egyenletes a korai Univerzumban. Már a legelső időszakokban kisebb gócok, csomók alakultak ki a Világegyetemben: a mai galaxisok csírái.

A kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás egész égbolton való eloszlása - ahogyan azt egyre részletesebben láthatjuk. Felül az 1965-ös kép, a sugárzás felfedezése után; középen a COBE (Cosmic Background Explorer) űrszonda 1992-es képe, amelyben először láthattuk a hőmérséklet- és sűrűségingadozásokat; alul a MAP új, minden korábbinál részletesebb képe a sugárzásról (kép: NASA)

A két űrszonda tevékenysége közötti több mint egy évtized során igen részletes megfigyeléseket végeztek földi telepítésű műszerekkel is, bár ezek nem a teljes égboltot lefedő adatsorokat produkáltak - inkább egy szűk terület hőmérsékletingadozásait térképezték fel nagy pontossággal. E kutatásokról is beszámoltunk rovatunkban:

A legősibb fény legélesebb képe - sötét erő uralja az Univerzumot
2002. május. Az Atacama-sivatag egyik 5080 méter magasságú platóján telepített rádiótávcső-rendszer, a Cosmic Background Imager (CBI) az eddigi legnagyobb részletességgel térképezte fel az Univerzum első, legősibb sugárzásának hőmérsékleti eloszlását.

Az eddigi legjobb képek az Ősrobbanás nyomairól
2002. december. A Déli-sark környékén telepített Viper-teleszkóp - átnézve a vékony sarkvidéki légrétegeken - minden eddiginél részletesebb képeket készített a kozmikus háttérsugárzásról. Újabb bizonyítást nyert, hogy az Univerzum 95%-át sötét anyag és energia uralja.

A MAP adataiban az egymilliomod fokos hőmérsékletingadozások is nyomon követhetők. A szonda adataiból készített új képen az Univerzum azon állapotát láthatjuk, amely az Ősrobbanás után mintegy 380 000 évvel volt jellemző - jóval az első égitestek létezése előtt. A legfontosabb, hogy az új eredmények megrősítik a korábbi eredményeket, méghozzá az egész égboltra kiterjedő adatok alapján.

A "bébi Univerzum": a legősibb sugárzás első részletes és az egész égboltra kiterjedő képe a MAP új adatai alapján. A színek "melegebb" (vörös) és "hidegebb" (kék) foltokat jeleznek. Kép: NASA/WMAP

Az új adatokból az Univerzum korát 13,7 milliárd évben lehet megállapítani. Ami igen meglepő, hogy az új adatok alapján az első csillagnemzedék már igen korán, mindössze 200 millió évvel a kezdetek után megjelenhetett, mivel egyes területeken már kialakult az anyag kondenzációjához szükséges alacsonyabb hőmérséklet.

Az adatokból levonható további következtetések:

- az eddigi legerősebb bizonyítást nyerte a Big Bang elmélet;
- az adatok megerősítik az ún. felfúvódási modellt, mely szerint az Univerzum közvetlenül születése után hatalmas mértékű táguláson esett át;
- a korai Univerzum anyag- és energiaeloszlása jól illeszkedik a modern értékekhez: 4%-a fénylő anyag (számunkra is látható), 23%-a sötét anyag, 73%-a pedig sötét energia - utóbbi kettő természete egyelőre ismeretlen a csillagászok számára.

Az ábrán azt láthatjuk, hogy a különböző nagy teljesítményű, Föld körül keringő műszerekkel milyen távolságig "látunk el", azaz mennyire mehetünk vissza időben. A Hubble-űrtávcső (HST) ún. legmélyebb ég felvételein (Hubble Deep Field) az eddig ismert legősibb galaxisokat figyelhetjük meg. Az ezeknél is ősibb, feltehetően a legkorábbi galaxisok felfedezése már a HST utódjának (JWST) feladata lesz. Ezután egy "sötét korszak" következik, majd a kozmikus háttérsugárzást vizsgáló műszerek jönnek be a képbe. Köztük a legújabb, a MAP új adatai arra utalnak, hogy a csillagkeletkezés már 200 millió évvel az Ősrobbanás után megindult

Az első égitestek sugárzása - a hét asztrofotója

A Spitzer-űrteleszkóppal a Világegyetem távoli részében lévő, és ezért annak korai állapotát képviselő objektumokat tanulmányoztak. Az Ősrobbanás után mindössze 400-700 millió évvel létezett csillagok észlelése az úgynevezett sötét időszak végét jelölheti.

Forrás: NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC)A legelső égitestek sugárzásának nyomát a sárgásvörös diffúz fénylés mutatja. A sötét foltok az utólag levont fiatalabb előtércsillagok és galaxisok helyén mutatkoznak

Alexander Kashlinsky (NASA GSFC) és kollégái már régóta vadásznak az Univerzum legelső sugárzó égitestjei után. A jelenlegi észlelések során öt égterületről készítettek több száz órányi megfigyelést az infravörös tartományban.

Az így rögzített ősi infravörös sugárzás enyhén egyenetlen eloszlásban az égboltnak szinte minden részéről érkezett. Megfigyelése nehéz, ugyanis nagyon sok közeli előtérobjektumot is megörökítenek a mérések. A pontos eredményhez utóbbiak sugárzását le kell vonni az adatokból - tehát az összes előtércsillag és közelebbi galaxis sugárzásától "meg kell szabadulni".

A technikailag nehezen megvalósítható, hosszas feldolgozás ezúttal sikerrel járt. A műveletek után visszamaradt sugárzás a közel 13,7 milliárd éves Világegyetemnek nagyon ősi, a kezdet után kb. 400-700 millió évvel jellemző állapotából érkezett. Ezzel gyakorlatilag a tőlünk nagyságrendileg 13 milliárd fényévre lévő égitesteket vizsgálták. Az infravörös sugárzást az ősi objektumok eredetileg még az ultraibolya és az optikai tartományban bocsátották ki, de a sugárzás a Világegyetem tágulása miatt az infravörös tartományba tolódott el.

A megfigyelt objektumok pontos mibenléte egyelőre nem ismert, csak annyi biztos, hogy a legelső képződmények némelyikét sikerült elcsípni. Eddig két lehetőség jött szóba: vagy nagyon korai, több száz naptömegű, extrém nagy csillagok lehetnek, avagy fekete lyukak, amelyek anyagot kebeleznek be környezetükből és ezáltal erős sugárzást produkálnak.

Elméleti megfontolások alapján a Világegyetem legelső csillagai között rendkívül nagy, akár 1000-szeres naptömegű égitestek is lehettek. Ha a sugárzás ilyen objektumoktól, azaz ősi csillagoktól ered, akkor azok ősi galaxisokban koncentrálódhatnak. A most megfigyelt csoportosulások viszonylag kicsi, nagyságrendileg kb. egymillió naptömegű galaxisok lehetnek. Ezek későbbi összeállásával születhettek a ma ismert, nagyobb csillagvárosok.

Bal oldalon az egyes előtércsillagok láthatók az Ursa Maior (Nagy Medve) csillagkép irányába rögzített felvételen. Jobbra pedig a végeredmény, amelyet az előtércsillagok és előtérgalaxisok levonása után kaptak: a legtávolabbi égitestek sugárzásának eloszlása. A kép nagyméretű változatának letöltése (NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC))

Az alábbi ábrán néhány fontos megfigyelés összegzése látható, amelyek a Világegyetemet az Ősrobbanás után különböző időtartammal, eltérő állapotokban mutatják. Balra a COBE műhold által rögzített mikrohullámú háttérsugárzás, és annak kisebb szabálytalanságai láthatók. Középen a Spitzer jelenlegi megfigyelése áll, jobbra pedig a Hubble-űrteleszkóp HDF felvétele igen távoli galaxisokról. Az alsó skálán az egyes megfigyelt objektumok megjelenésének időpontjai látszanak a Világegyetem fejlődése során. A jelenlegi Spitzer-észlelés az első csillagok születése előtti, ún. sötét időszak végét jelölheti.

Néhány megfigyelés és a neki megfelelő időpont, amely a Világegyetem fejlődésének eltérő állapotait képviseli (NASA/JPL-Caltech/A. Kashlinsky (GSFC))

A most azonosított objektumok abszolút értelemben rendkívül fényesek, és különböznek minden ismert, a környezetünkben lévő, napjainkban megfigyelhető égitesttől. A további vizsgálatuk segíthet a legelső galaxisok, és talán azok extrém nagytömegű csillagainak kialakulását megérteni. Ehhez elsősorban a következő generációs James Webb űrteleszkóp nyújt majd fontos adatokat..

Kereszturi Ákos

Antianyagfelhő a Tejútrendszer belsejében

Új megfigyelések alapján a Galaxisunk belső vidékén lévő kettőscsillagoknál zajló kölcsönhatások antianyagot termelnek. Ennek megsemmisülése magyarázza a korábban azonosított sugárzást.

Az Integral műhold (ábra, ESA)

Az ESA Integral műholdja a nagyeneregiájú gammasugarak eloszlását és jellemzőit térképezi az égbolton. Georg Weidenspointner (Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics) és kollégái a szonda négy év alatt rögzített megfigyelései alapján a Galaxisunk központi vidéke felől érkező gammasugárzást tanulmányozták. Céljuk a sugárzást létrehozó folyamat azonosítása volt.

A kérdéses sugárzás 511 keV energiájú, és feltehetőleg elektronok, valamint antirészecskéik, pozitronok találkozásakor és megsemmisülésekor keletkezik. Ezt a sugárzást az 1970-es években, még a légkör magas régióiba feljuttatott ballonokra szerelt távcsövekkel azonosították. Pontos eredetét azóta is homály fedi - a legnehezebb feladat a jelenséget kiváltó pozitronok keletkezését megérteni.

Az egyik elgondolás szerint a szupernóva-robbanások során keletkező nehéz atommagok bomlása termeli a pozitronokat - de ebben az esetben problémás megmagyarázni a sugárzás megfigyelt intenzitását. Egy másik elgondolás a korábbi megfigyelés azon eredményéből indult ki, amely szerint a sugárforrások eloszlása gömbszimmetrikus a Tejútrendszer centruma körül. A modellek alapján a láthatalan tömeget alkotó egzotikus, még ismeretlen részecskék is ilyen eloszlást mutatnak - nem kizárt, hogy valamilyen folyamat keretében a láthatatlan tömeg kelt elektron-pozitron párokat. Ezek aztán összetalálkozva megsemmisülnek, létrehozva a megfigyelt intenzív sugárzást. Utóbbi elgondolást azonban nehézen összeilleszteni a láthatatlan tömeg jellemzőit leíró elméletekkel. További érdekesség, hogy egyes szakemberek az ún. mini fekete-lyukak elméletileg lehetséges párolgásával magyarázzák mindezt - egyelőre szintén bizonyíték nélkül.

Annyi biztos, hogy a sugárzás forrását olyan objektumok alkotják, amelyek a Tejútrendszer központi vidékén találhatók, azonosításukban pedig sokat segítene eloszlásuk minél pontosabb ismerete.

A kérdéses felhő térbeli jellmzői ezúttal az Integral adatai révén minden korábbinál precízebben sikerült meghatározni. Kiderült, hogy a felhő nem gömbszimmetrikus, hanem a Galaxis centrumához viszonyítva az egyik irányba közel kétszer nagyobb kiterjedésű, mint az ellenkező oldalon.

A gammasugarakat kibocsátó objektumok alkotta felhő aszimmetrikus alakja a fenti elgondolásokkal nehezen magyarázható. Ugyanakkor az Integralnak egy másik megfigyelésével jó egyezést mutat: a szonda adatai alapján a térségben sok kettőscsillag mutat a centrumhoz képest aszimmetrikus eloszlást.

A kérdéses kettős rendszerek egy átlagos csillagból és egy kompakt objektumból (neutroncsillagból vagy fekete lyukból) állnak. A normál csillagról a társra átáramló anyag annyira felforrósodik, hogy az eneregikus környezetben sok elektron-pozitron pár keletkezik. Ezek találkozásukkor megsemmisülnek, pontosabban a megfigyelt 511 keV-os sugárázássá alakulnak. A sugárzás ahhoz nem elég erős, hogy az egyes kettősöknél külön-külön azonosítani lehessen - ezért csak egy kiterjedt felhő formájában figyelhető meg.

Az 511 keV-os sugárzás aszimmetrikus eloszlása (fent) és a kemény röntgensugárzást kibocsátó kettőscsillagok eloszlása (lent) (ESA, Integral, MPE, Weidenspointner)

A mérésekhez illesztett modellek alapján a sugárzást kiváltó antianyagnak legalább a fele ilyen kettős rendszerekből származik, a maradék pedig "hagyományos" forrásokból eredhet, mint amilyen a szupernagytümegű központi fekete lyuk, avagy a szupernóvák termelte nehéz elemek lebomlása.

[origo]

Széttépett galaxisok a Tejútrendszer peremvidékén - a hét asztrofotója

A Tejútrendszer peremvidékén egy szokatlan, a belső térség csillagaival ellentétes irányban mozgó csillagokból álló zónát azonosítottak, amely ősi törpegalaxisok bekebelezésével jöhetett létre.

Az NGC 6397 gömbhalmaz részlete (Verschatse, Antilhue Observatory)

Galaxisunk, a Tejútrendszer csillagait három nagy, térbeli helyzetüket és fejlődésüket tekintve elkülönülő csoportra osztják. Ezek a sűrű központi dudor (avagy a galaxismag), a spirálkarokat tartalmazó korong alakú fősík, és a korongot övező kiterjedt, gömbszimmetrikus térrész, az ún. haló. A legnagyobb és a legidősebb terület a haló, ahol a csillagok egy része magányosan, más részük pedig gömbhalmazokba csoportosulva kering a centrum körül.

A haló csillagainak jellemzőit nemrég az SDSS (Sloan Digital Sky Survey) égboltfelmérés adatai segítségével, 20 ezer csillag alapján tanulmányozták. Az már a korábbi vizsgálatok alapján is kiderült, hogy a halóban több csillagáramlás azonosítható, amelyek mindegyike egy-egy korábban bekebelezett és szétdarabolódott törpegalaxis anyagából származik. Az új statisztikai elemzés alapján két, az előbbieknél nagyobb és fontosabb csillagcsoportot sikerült elkülöníteni, mind az objektumok mozgása, mind pedig kémiai összetétele alapján.

A haló belső részén található a kisebb egység, amely egy enyhén lapult ellipszoidot formáz, és Galaxisunk centrumától kb. 50 ezer fényév távolságig terjed. Az ide tartozó csillagok átlagos mozgási sebességüket tekintve közel 22 km/s-al haladnak haladnak, méghozzá a fősíkot alkotó objektumok, köztük a Nap haladásával megegyező irányba (a Nap 230 km/s-mal kering a centrum körül).

A távolabbi és kiterjedtebb egységben, amely a haló külső részén található, az objektumok átlagos keringési sebessége 44 km/s körüli, és jellemzően a belső egységgel ellentétes irányba mozognak. Ennek a térségnek az alakja az előzőnél közelebb áll a gömbhöz, és a centrumtól nagyjából 65 ezer és 300 ezer fényév között húzódik. További érdekes paraméter, hogy a belső haló csillagai a vas és a kalcium gyakoriságából kiindulva átlagosan háromszor nagyobb arányban tartalmaznak nehézelemeket, mint a haló külső objektumai.

A szakemberek véleménye szerint a haló belső egysége alakult ki elsőként, részben a Tejútrendszer körül keringő, viszonylag nagyobb tömegű kísérőgalaxisok bekebelezésével. Utóbbi objektumok keringési iránya megegyezett a Tejútrendszernek az addig kialakult részére jellemző iránnyal. Később pedig a fentivel ellentétes irányba keringő és kisebb törpegalaxisok bekebelezésére került sor, amelyek kevesebb nehézelemet tartalmaztak. Ezek szétoszlott csillagaiból keletkezett a külső egység.

A belső és a külső haló helyzete a fősíkkal, és benne a Nap pozíciójával. A kép nagyméretű változatának letöltése (NASA, JPL-Caltech, R. Hurt, SSC, Caltech)

Már a korábbi évek elgondolásai alapján is elképzelhetőnek tűnt, hogy Galaxisunk összeállásában sok apró törpegalaxis játszott szerepet. A fenti kép ezt megerősíti, de egyben újabb, ma még kevéssé ismert elemmel is kiegészíti. Eszerint időben elkülönülten olvadtak a Tejútrendszerbe a kisebb és nagyobb, valamint a normál, illetve retrográd keringési irányban mozgó közeli csillagvárosok. Mindennek oka egyelőre nem ismert, de feltehetőleg a két fázis térben és időben is átfedte egymást.

[origo]

Részecskéket és nem-részecskéket várnak a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítójától

Minden korábbitól alapjaiban eltérő merész feltevésekkel élt az anyag felépítését illetően Howard Georgi, a Harvard Egyetem kutatója a Physical Review Letters c. szakfolyóiratban közölt tanulmányában. A Világegyetem szerinte tele lehet egy olyan dologgal, amely nem részecskékből áll. A rendkívüliséget szóhasználata is mutatja, a feltételezett valamire nem a szokásos anyag szót használja, hanem a sokkal általánosabb dolog kifejezést. E valami alkotóelemeinek az "unparticle", azaz nem-részecske nevet adta.

A HIGGS-RÉSZECSKE

A Higgs-részecske egy mindmáig hipotetikus, tömeggel rendelkező, semleges töltésű elemi részecske. Létezését Peter Higgs angol fizikus jósolta meg 1960-ban. A Higgs-részecske segítségével tudjuk magyarázni a többi részecske tömegét. Létezése feltétlenül szükséges a legalapvetőbb részecskefizikai elméletek ellentmondás-mentességéhez. Ha megtalálják, teljessé válik a részecskék világát leíró standard modell.

Georgi számításai szerint a feltételezett nem-részecskéket a szokásos anyag szinte nem is érzékeli, azok szemünk és műszereink számára érzékelhetetlenek és kimutathatatlanok. Nagyobb energiákon viszont már megfigyelhetők, így például a CERN épülő nagy hadron-ütköztetőjében (LHC) is, ahol érzékelhetővé válhat a kutató által "dolognak" (stuff) nevezett valaminek az anyagra (matter) gyakorolt hatása. A hatás mindenképpen kicsi lesz, hiszen nagyobb hatást már eddig is érzékelhettünk volna. Georgi szerint az anyag és a dolog közti kapcsolat az energia növelésével egyre erősebbé válik. A szokásos részecskék úgy lépnek kölcsönhatásba Georgi nem-részecskéivel, mintha a hagyományos anyag nem egészszámú, tömeg nélküli részecskékkel lépne kapcsolatba. (Ilyen tömeg nélküli nem egészszámú részecske lehet például öt és fél foton.) Azonban William Unruh kanadai fizikus attól tart, hogy ezek a nem-részecskék az esetek többségében úgy viselkednek majd, mint a részecskék - tehát nem lehet elkülöníteni őket.

Korábban már bemutattunk egy másik merész elgondolást, és remélik, hogy ennek a realitását is az LHC részecskegyorsítóban lehet majd ellenőrizni. "Csináljunk fekete lyukakat" - javasolta a témakör két világhírű szakértője, Bernard J. Carr (Queen Mary College, Londoni Egyetem) és Steven B. Giddings (Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara). Természetesen nem nagy, csillagokat elnyelő fekete lyukakra gondoltak, hanem parányiakra, amelyek a nagy hadron-ütköztetőben születhetnek. Ám csak akkor keletkeznek a gyorsítóban fekete lyukak, ha a térnek nem három, hanem több dimenziója van. Ennek lehetőségére viszont egyelőre nincs bizonyíték, azonban ha az LHC detektorai fekete lyuk megjelenését észlelik, akkor joggal gondolhatjuk, hogy sokdimenziós a tér. A szerzők alapos elemzése végül azzal a megnyugtató következtetéssel zárul, hogy nem kell tartanunk a megjelenő parányi fekete lyukaktól, hiszen azok nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak, és rengeteg részecskét szétsugározva megszűnnek létezni. Megfigyelésük, születésük és haláluk egy új fizika kezdetét jelenti.

Nagy ütköztető - nagy remények

A genfi CERN Részecskefizikai Kutatóközpontban jövőre már a fizikusok rendelkezésére áll a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítója, a nagy hadron-ütköztető (Large Hadron Collider - LHC). A hatalmas, bonyolult gyorsító- és a részecskedetektorok építése széleskörű nemzetközi összefogással, nagy erők bevetésével még javában folyik, de a kutatóközpont folyóirata, a CERN Courier legfrissebb számában közölt írások címei már a befejezés közeledtét mutatják (Leeresztették az utolsó dipól mágnest, A CMS detektornál az utolsó kristályok megérkezését ünneplik, A belső nyomkövető rendszer megérkezett az ALICE detektor szívébe, Megérkezett a VELO utolsó modulja az LHCb kísérlethez stb.).

Az új részecskegyorsítóhoz tervezett mérésekkel két alapvető kérdésre szeretnének választ kapni a kutatók. Olyan részecskéket keresnek, amelyek létezése átfogó elméletekből következik, de eddig nem találtak rájuk. A kézenfekvő magyarázat szerint a keresett részecskék tömege olyan nagy, hogy eddigi berendezéseinkkel nem lehetett előállítani őket. A másik lehetőség, hogy nem is léteznek, vagy nem olyanok, mint eddig feltételezték.

Ma a "standard modell" névre keresztelt elmélet a modern részecskefizika átfogó elmélete, amely a kísérleti észlelésekkel összhangban írja le az anyagot felépítő elemi részecskék világát, és a tapasztalattal megegyező értékeket ad a részecskék tulajdonságaira, valamint a részecskék közt zajló folyamatok és a részecske-átalakulások jellemzőire. Az anyag ma ismert összetevőinek leírásához a modell hármat használ fel a négy alapvető kölcsönhatásból (gyenge, erős és elektromágneses kölcsönhatás), a gravitációval nem számol. Egyetlen, de alapvető hiányossága van: nem ad számot a részecskék tömegéről. Miért van egyáltalán tömege a részecskéknek, miért pont akkora a tömegük, amekkora? Peter Higgs angol fizikus már évtizedekkel ezelőtt kidolgozta az elmélet hiányzó részét, az általa feltételezett mechanizmus döntő bizonyítéka viszont mindmáig hiányzik: ez lenne a Higgs-részecske. Évtizedek óta keresik már siker, vagy akár csak egyértelmű eredmény nélkül, ezért is szokták a Higgs-részecskét a részecskefizika Szent Gráljának nevezni. Az LHC megépítésének éppen a Higgs-részecskék keresése volt a döntő indítéka.

Szuperszimmetria-elmélet

A modern fizika egyik átfogó elmélete a szuperszimmetria-elmélet, elterjedt angol rövidítésével SUSY (supersymmetry). A SUSY nagyon sokat ígér, például a fizikai kölcsönhatások egységes elméletét és az Ősrobbanás után formálódó világ első történéseinek a leírását. A SUSY nemcsak ígéretes, hanem megközelíthetetlen is. Az elmélet állításainak kísérleti ellenőrzésére mindeddig nem volt lehetőség, hiszen az ellenőrizendő folyamatok olyan energiatartományokban zajlanak, amelyek jóval meghaladják az eddigi legnagyobb részecskegyorsítók lehetőségeit.

Az egységes, átfogó elmélet működéséhez nem elégségesek a mai részecskék, pedig igazán jó néhány elemi részecskét ismerünk már. Így a SUSY egyszerűen megduplázza a ma ismert részecskéket, minden részecske mellé társítva egy szuperszimmetrikus partnert. A részecskék és szuperszimmetrikus párjuk egyetlen kvantumfizikai jellemzőjükben, a spinben különböznek. A szuperszimmetrikus részecskék egy része a szokásos neve elé egy s betűt kapott, így lett az elektron párja a selektron, a kvarké pedig skvark. Mások, mint a Higgs-részecske, -ino végződést kaptak, így született a foton partnere, a fotino, a gluon mellé a gluino és így tovább. Ha igaz a szuperszimmetria, akkor mindeddig csak a részecskék felét ismertük meg, a másik fél még felfedezésre vár. Nyilvánvaló, hogy ha a tömegük és a töltésük azonos lenne jól ismert párjukéval, akkor már régen megtalálták volna őket. De mindeddig egyet sem észleltek, ezért a szuperszimmetria nem érvényesül a teljességében, valami miatt ugyanis a "srészecskék" nagyon eltérnek a részecskéktől. A szuperszimmetria elmélete nem adja meg pontosan a skvarkok és sleptonok tömegét. Így nem kell elvetni az elméletet pusztán azért, mert még nem találtak srészecskéket. A remények szerint a nagy hadron-ütköztető segítségével a szuper-szimmetria elméletét is sikerül bizonyítani.

Jéki László

Csináljunk fekete lyukakat

Akár fekete lyukak is születhetnek a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítójában, amelyet jövőre helyeznek üzembe a CERN-ben. A kutatók szerint nem kell félnünk tőlük: nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak.

Csináljunk fekete lyukakat - javasolta a témakör két világhírű szakértője, Bernard J. Carr (Queen Mary College, Londoni Egyetem) és Steven B. Giddings (Kaliforniai Egyetem, Santa Barbara) a Scientific American hasábjain. Természetesen nem nagy, csillagokat elnyelő fekete lyukakra gondoltak, hanem parányiakra. Ám a parányok előállítása is hatalmas berendezéseket, óriási részecskegyorsítókat igényel, tehát otthon továbbra sem kísérletezhetünk fekete lyukak gyártásával.

Genfben, a CERN részecskefizikai kutatóközpontban viszont jövőre helyezik üzembe a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítóját, anagy hadron ütköztetőt (LHC), amelyben már születhetnek apró fekete lyukak. Van még egy komoly feltétel: csak akkor keletkeznek a gyorsítóban fekete lyukak, ha a tér nem háromdimenziós, hanem több dimenziója van. Erre viszont egyelőre nincs bizonyíték. Ha az LHC detektorai fekete lyuk megjelenését észlelik, akkor joggal gondolhatjuk, hogy sokdimenziós a tér. A szerzők alapos elemzése megnyugtató következtetéssel zárul: nem kell tartanunk a megjelenő parányi fekete lyukaktól. Nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak, rengeteg részecskét szétsugározva megszűnnek létezni. Megfigyelésük egy új fizika kezdetét jelentheti.

Fekete lyukak keletkezése az Ősrobbanáskor

Einstein általános relativitáselmélete szerint a kellő mértékben összenyomott anyag gravitációja olyan erős lesz, hogy kialakul egy térrész, amelyből semmi sem tud megszökni. Ennek a térrésznek a határa a fekete lyuk eseményhorizontja. A legegyszerűbb esetben, ha a tér háromdimenziós (vagy a rejtett dimenziók kisebbek a lyuk méreténél), akkor a fekete lyuk mérete egyenesen arányos a tömegével. Napunkból is fekete lyuk lenne, ha 3 kilométer sugarú gömbbé nyomnánk össze, a Földből pedig kilenc milliméteres átmérőnél válna fekete lyuk. Minél kisebb egy test, annál nagyobb mértékben kell összenyomni, az elérendő sűrűség a tömeg négyzetével fordítottan arányos. Egy naptömegnyi fekete lyukban a sűrűség kb. 10¹⁹ kg/köbméter - az atommagok sűrűsége ennél kisebb. Gravitációs összeomlással ennél sűrűbb anyag nem jön létre, mert az elemi részecskék közti taszító kvantumhatások lehetetlenné teszik.

Stephen W. Hawking és tanítványa, Bernard J. Carr, a cikk egyik szerzője az 1970-es évek elején vetette fel, hogy a Világegyetem történetének kezdetén is keletkezhettek fekete lyukak. Az Ősrobbanás után nagyon nagy volt az anyagsűrűség, az első mikroszekundumban jóval nagyobb volt az atommagok sűrűségénél. A fizika törvényei szerint a természetben maximum 10⁹⁷ kg/köbméter sűrűség létezhetett az Ősrobbanás után, ez az ún. Planck-határ. Ekkora sűrűségnél 10^-35 méter átmérőjű fekete lyukak keletkezhettek, 10^-8 kg tömeggel. A gravitáció elmélete szerint ez a lehetséges legkisebb fekete lyuk. Tömege jóval nagyobb egy elemi részecskéénél, a mérete viszont sokkal kisebb (még egy 10¹² kg tömegű fekete lyuk is kisebb lenne egy protonnál).

A korai Világegyetem hatalmas sűrűsége elengedhetetlen előfeltétel fekete lyukak keletkezéséhez, de egyáltalán nem biztos, hogy valóban keletkeztek is ilyen objektumok. Szükség volt még ún. sűrűségfluktuációra: az anyag olyan tartományban hagyott fel a tágulással és kezdett fekete lyukká összeomlani, ahol a sűrűség nagyobb volt az átlagosnál.

Fekete lyukak keletkezhettek a Világegyetem nagyobb átalakulásainál (fázisátmeneteinél) is, pl. a gyors tágulással jellemzett ún. inflációs szakasz végén, vagy amikor a protonok összeálltak kvarkokból.

Párolgó és robbanó fekete lyukak

Hawking 1974-ben meglepő következtetésre jutott: a fekete lyukak nemcsak elnyelik a részecskéket, hanem ki is bocsátják azokat. Egy fekete lyuk hőmérsékletétől függően sugároz, hőmérséklete pedig fordítottan arányos a tömegével. Egy naptömegnyi fekete lyuk hőmérséklete kb. egymilliomod kelvin, ami kimutathatatlan a mai Világegyetemben és műszereinkkel. A kisebb tömegű lyukaknak azonban magasabb a hőmérséklete: egy 10¹² kg tömegű fekete lyuk 10¹² kelvinen sugároz, és ez már elegendő ahhoz, hogy fotonokat és tömeggel rendelkező részecskéket, pl. elektronokat és pozitronokat sugározzon ki. (A példában szereplő egybillió kg tömeg körülbelül egy hegység tömege.) A részecskekibocsátás energiát visz el, csökken a lyuk tömege és egyre forróbbá válik. Tehát a fekete lyuk nem stabil - egyre nagyobb energiájú részecskéket bocsát ki, egyre gyorsabban és gyorsabban fogy. A folyamatnak akkor szakad vége, amikor az egyre csökkenő tömeg már csak 106 kg, ekkor a lyuk felrobban. A fekete lyuk élettartama kezdeti tömegének harmadik hatványával arányos. Egy naptömegnyi fekete lyuk élettartama 10⁶⁴ év, ami kimutathatatlanul hosszú idő. Egy 10¹² kg tömegű fekete lyuk élettartama kb. tízmilliárd év, ez a Világegyetem korának nagyságrendje. Ha voltak ekkora fekete lyukak, akkor ezek mostanában is párologhatnak, robbanhatnak. A kisebbek, ha voltak, már korábban eltűntek.

Milyen jele lehet annak, ha ma a Világegyetemben valahol felrobban egy fekete lyuk? Tömegének nagy része valószínűleg gammasugarak formájában jelentkezne. Sokféle gammakitörést észleltek már, ezek közül a legrövidebb idejű kitörések hozhatók esetleg a fekete lyukakkal kapcsolatba, de megjelenésükre más ésszerű magyarázat is létezik. Az égbolt megfigyelése ezért egyelőre nem ad választ a kérdésekre.

Kilencdimenziós térnél már van esély

Jövőre a világ legnagyobb részecskegyorsítójában, az LHC-ban körülbelül 7 teravolt energiára gyorsítják fel a protonokat. Ez az energia 10^-23 kg tömegnek, a proton nyugalmi tömege 7000-szeresének felel meg. A 10^-23 kg tömeg azonban nagyon messze esik a hagyományos gravitációelmélet szerint elképzelhető lehető legkisebb fekete lyuk 10^-8 kg tömegétől. Ha a világ a hagyományos gravitációelmélet szerint működik, akkor nincs remény arra, hogy fekete lyukkal találkozzunk a részecskeütközéseknél. Legalább 15 nagyságrenddel nagyobb részecskeenergiára lenne szükség. Ennek megvalósítása viszont elképzelhetetlen.

A fizikusok régóta fáradoznak a gravitáció és a kvantumelmélet összeillesztésén, a gravitáció kvantumelméletének kidolgozásán. Az egyik legígéretesebb megoldás, a húrelmélet háromnál több térdimenzióval számol. A többi kölcsönhatástól eltérően a gravitáció ezekbe az extra dimenziókba is behatol, és rövid távon rendkívül erősre nőhet. Háromdimenziós térben négyszeresre nő a tömegvonzás, ha a két tárgy közti távolság a felére csökken. 9-dimenziós térben ez az erősödés 256-szoros lesz. A gravitáció így megnövekedett erősségének köszönhetően sokkal alacsonyabb lesz az a határ, ahol még fekete lyuk létrejöhet. A részletes számítások szerint már az LHC-ban is létrejöhetnek fekete lyukak, ha valóban 9 dimenziós a tér. A legoptimistább becslés szerint másodpercenként 1 fekete lyuk keletkezhet a részecskeütközésekben.

Ha keletkezik fekete lyuk, akkor könnyű lesz megfigyelni, és az ütközés egyéb termékeitől megkülönböztetni. Az ütközések helyén minden irányban nagyon nagy energiájú részecskék serege lép ki, ezeket észlelik a detektorok. A részecskék között az összes ismert részecskeféleség megjelenése várható.

Aggodalmak

Szabad-e ilyen merész kísérletbe kezdeni? - kérdezik sokan aggódva. Közismert, hogy a nagy fekete lyukak akár egész csillagokat képesek elnyelni, magukba olvasztani. Lehetséges, hogy a parányi fekete lyukak is elnyelik környezetüket, és fokról-fokra akár egész bolygónkat?

A kutatók biztosan abban, hogy a mikroszkopikus fekete lyukak nem lehetnek stabilak, ezt lehetetlenné teszik a kvantumfizika sokszorosan beigazolódott törvényei. A parányi fekete lyukak tehát instabilak, gyorsan elbomlanak. A megfigyelések is ezt igazolják. A természetben is zajlanak nagyenergiájú részecskeütközések, ezekben is keletkezhetnek fekete lyukak. A 10⁹ teravolt energiájú kozmikus részecskék a légkörbe érve évente mintegy 100 fekete lyukat hozhatnak létre. Ha születnek fekete lyukak a fejünk felett, akkor ezek ártalmatlannak bizonyultak.

Ha a részecskeütközésekben megjelennek a fekete lyukak, akkor bizonyítják a tér rejtett dimenzióinak a létezését. Ezzel eljutunk a legkisebb méretekhez, a Planck-határokhoz - a Planck-hosszúságnál kisebb távolságnak nincs értelme. A fizika egyik területe lezárul, de megjelenik egy feltárandó izgalmas új világ, az extra dimenziók világa.

Jéki László

Új elmélet a fekete lyukak születéséről

A viszonylag kis tömegű fekete lyukak születését eddig pillanatszerű eseménynek tekintették. Az új eredmények azonban arra utalnak, hogy a szupernóva-robbanást követő órákban még jelentősen nőhet az újszülött objektum tömege.

Forrás: NASA GSFC Dana BerryFantáziarajz egy fekete lyuk születéséről

A csillagtömegű fekete lyukak legalább 25 naptömegű csillagok életének végén keletkeznek. (Érdemes ezeket elkülöníteni a galaxisok centrumában lévő, a Napnál több milliószor nehezebb, szupernagytömegű fekete lyukaktól, amelyek más folyamat során keletkezhetnek.) A csillagtömegű fekete lyukak az adott csillag élete végén történő szupernóva-, illetve egyesek által hipernóva-robbanásnak nevezett kataklizma során születnek. A csillag anyaga összeomlik, és centrumában kialakul egy fekete lyuk. Ugyanekkor az itt keletkező sugárzás jelentős része két, ellentétes irányba mutató sugár formájában távozhat. Ha ezek egyike felénk mutat, akkor láthatunk úgynevezett hosszabb lefutású gammafelvillanást.

Az utóbbiak követésére specializálódott SWIFT űrteleszkóp észlelései szerint a hosszabb gammavillanások mintegy felénél nem csak egy robbanás jelentkezik. A megfigyelések jelentős részénél az első felvillanást követő öt percen belül is erős aktivitás jelentkezik. Alkalmanként kettő, három, vagy négy nagyobb "utórobbanás" is lehet, amelyek keretében intenzív röntgensugárzás is megfigyelhető. Néhány esetben az első villanás után egy nappal is rögzítettek felfényesedést.

A fenti jelenség eddig a 2005. május 2-án rögzített GRB 050502B jelű gammavillanásnál volt a legfeltűnőbb. Ennek kezdeti intenzív szakasza 17 másodpercig tartott, majd a sugárzás gyengült. Mintegy 500 másodperccel később azonban váratlanul felerősödött a röntgentartományban, méghozzá közel százszor magasabb szintre, mint ahogy korábban jelentkezett. Eddig a SWIFT közel egy tucat gammavillanásnál örökített meg hasonlóan markáns jelenséget, és sokkal több esetben kevésbé feltűnő utóvillanásokat.

A megfigyelések magyarázatára a következő forgatókönyv a legvalószínűbb. Az első és legnagyobb robbanás pillanatában az összeomló csillag centrumában megszületik a fekete lyuk. Később a robbanás lökéshullámától kilökött anyagcsomók némelyike visszazuhanhat a fekete lyukba, és bezuhanása közben erős sugárzást bocsáthat ki. Elképzelhető, hogy több visszazuhanó anyagcsomó is ütközik egymással, ami szintén növeli a sugárzást.

A fenti teóriára még nincs perdöntő bizonyíték, de ha a későbbiekben alátámasztást nyer, a fekete lyukak keletkezését ezentúl hosszabb folyamatnak kell tekintenünk. Bár az objektum egy robbanás keretében születik az összeomló csillagban, a továbbiakban is jelentősen növekszik a tömege, és végső állapotát több óra, esetleg néhány nap alatt nyerheti el.

Sikerült megfigyelni egy fekete lyuk születését

A Swift műhold ismét beváltotta a hozzá fűzött reményeket: sikeresen észlelt egy mindössze 50 ezredmásodpercig tartó gammafelvillanást. A jelenség során minden bizonnyal egy fekete lyuk keletkezett, neutroncsillagok vagy neutroncsillag és fekete lyuk összeolvadásával.

Fantáziarajz egy neutroncsillag-páros összeolvadásáról

AJÁNLAT

• A Swift hivatalos honlapja
  Interjú a gammakitörések kutatásárólA Non plus ultra c. ismeretterjesztő tévéműsor 2005. május 9-i adásából (wmv file).

AJÁNLAT

• Részletes összeállításunk a gammakitörésekről és a Swiftről

Az alig pár hónapja működő Swift műhold a csillagászat egyik legizgalmasabb területén végez méréseket: az Univerzum óriási robbanásait kísérő gammafelvillanásokra (Gamma-ray Burst - GRB) vadászik.

A gammakitörések távoli galaxisokban lezajló kataklizmikus események kísérőjelenségei. Két alapvető típusát különböztetik meg a csillagászok: a rövidebb idejű felvillanások a másodperc ezredrészétől néhány másodpercig, a hosszúak akár néhány percig is eltarthatnak. A rövid ideig tartó kitörések természetéről nagyon keveset tudunk, hiszen megfigyelésük rendkívül nehézkes - kevés idő áll rendelkezésre ahhoz, hogy a kitörés forrását azonosítsák.

A Swift műhold egyik legfontosabb célkitűzése épp ezért a rövid típusú gammafelvillanások észlelése. Az űreszköz rendkívül gyorsan, kevesebb mint egy perc alatt azonosítja a forrást, majd minden műszerével a megfelelő irányába áll, és észleli a kitörést követő ún. utófénylést (afterglow).

Az utófénylés vizsgálata sokat elárul a jelenség természetéről. A csillagászok jelenlegi elképzelései szerint a rövid és hosszú típusú gammafelvillanások két különböző kataklizmikus esemény során keletkeznek. A rövid ideig tartó gammafelvillanások két kompakt (viszonylag kis méretű és igen sűrű) objektumot tartalmazó, neutroncsillagokból és/vagy fekete lyukakból álló rendszerek összeolvadásakor keletkezhetnek, míg a hosszabb kitörések hatalmas csillagok felrobbanásakor (hipernóvák), és fekete lyukká való összeomlásakor jöhetnek létre.

Május 9-én a műhold sikeresen észlelt egy mindössze 50 ezred másodpercig tartó gammakitörést. Kevesebb mint egy perc elteltével a műhold röntgen-, ultraibolya- és optikai távcsövei is a forrás felé fordultak.

A kitörés egy 2,7 milliárd fényév távolságban található, öreg csillagokkal teli galaxisban történt. Mivel a neutroncsillagok és a fekete lyukak a nagytömegű csillagok életútjának végállomásai, ezért a rövid felvillanások idősebb galaxisokkal való egybeesése a kompakt objektumok összeolvadásából való eredetet támasztja alá. A hosszú időtartamú gammakitörések ezzel szemben az Univerzum távoli szegletéből érkeznek, ahol a galaxisok még sok nagytömegű, fiatal csillagot tartalmaznak.

Úgy tűnik, hogy a fenti elképzelést megerősítik az optikai megfigyelések is. A GRB 050509B jelzéssel ellátott kitörés gyenge utófényét röntgentartományban mintegy öt percig észlelte a Swift, ultraibolya és látható tartományban azonban semmit sem érzékelt - sőt az optikai utófénylést nagy földi távcsövekkel sem sikerült észlelni. Mindez azzal magyarázható, hogy a kompakt objektumból álló rendszerekben kevés a gáz és poranyag, amely az optikai utófénylést okozza. A Swift által már többször is megfigyelt hosszú gammakitörések esetében ez akár napokon, heteken keresztül is detektálható.

Az égbolt e területét a hawaii Keck óriástávcsövekkel is átfésülik, valamint a Hubble-űrtávcső és a Chandra-röntgenműhold is méréseket végez a gammakitörés forrásának környékéről.

Cs. T. - S. A.

Kettős szuper-nagytömegű fekete lyuk

Az újabb megfigyelések alapján az M83 galaxis centrumában nem egy, hanem két szuper-nagytömegű objektum, talán fekete lyuk található. A dolog érdekessége, hogy a két objektum gravitációs terének elméletileg észrevehetően el kellene torzítania a spirális szerkezetet - aminek nincs nyoma.

A spirális galaxisok centrumukban teljes tömegükkel arányos szuper-nagytömegű fekete lyukat tartalmaznak. A galaxisok évmilliárdok alatt más csillagvárosokkal is találkoznak, amelyeket néha bekebeleznek. Ekkor egy ideig két központi fekete lyuk is lehet bennük, amelyek aztán idővel összeolvadnak. Az ilyen kettős központi égitestekre általában az adott galaxis erős röntgensugárzása utal.

Damián Mast (National University of Cordoba) és munkatársainak mérései szerint egy ilyen páros lehet a 15 millió fényév távolságban lévő M83 spirálgalaxis centrumában. A kettős mag lehetősége 2000-ben merült fel, amikor a galaxis centrumában lévő csillagok mozgási sebességét tanulmányozták. Ezek eloszlása nem egy, hanem két, egymástól 200 fényévre található nagytömegű anyagcsomóra utalt, amelyek egyike sem pont a galaxis centrumában helyezkedik el. A két objektum két szuper-nagytömegű fekete lyuk, vagy kompakt, szintén rendkívül nagytömegű csillaghalmaz lehet. Közülük az egyik erősen sugároz, de a párja (amelyik a galaxis térbeli centrumához közelebb van) sokkal halványabb. Utóbbi jelenséget talán fényelnyelő csillagközi felhők okozzák.

Következő lépésként az ionizált gáz mozgását tanulmányozták a centrumban. Ezáltal pontosították a tömegbecslést és megállapították, hogy a fényesebb anyagcsomó nagyságrendileg egymillió naptömegű lehet, míg a halványabb kb. 10 millió naptömeg körüli. A térségben egy ív alakban aktív csillagkeletkezés is mutatkozott, amely talán a halványabbnak mutatkozó centrumból, esetleg az itt található fekete lyuktól kiinduló lökéshullám okoz, amit a sűrű csillagközi anyagban haladva hoz létre. Az itt található legidősebb égitestek alapján az esemény mintegy 8 millió évvel ezelőtt kezdődött - ez talán annak a két galaxis ütközésének az időpontját is jelzi, amelyekből a két szuper-nagytömegű fekete lyuk származik. A magyarázat érdekessége, ha valóban két galaxis ütközése nyomán került a két fekete lyuk egymás közelébe, akkor az M83 spirális szerkezetének sokkal szabálytalanabbnak kellene lennie.

Fekete lyukunk utolsó vacsorája

Az Sgr B2 és az Sgr A

AJÁNLAT

Az első képek a feketelyuk-vadásztólSikeresen mutatkozott be az Univerzum legnagyobb energiájú eseményeit vizsgáló új európai műhold, az Integral nevű gamma-obszervatórium. Első felvételei és adatai máris elkápráztatták a csillagászokat.
Központi fekete lyukunk éhezikSokkal kevesebb anyag hullik be a Tejútrendszer központi objektumába, mint azt eddig feltételezték.

350 éve lakott jól utoljára a Tejútrendszer közepén található hatalmas fekete lyuk.A csillagászok már régóta tudják, hogy a nagyobb galaxisokhoz hasonlóan Tejútrendszerünk közepén is hatalmas, körülbelül 2,6 millió naptömegű fekete lyuk lapul. A Nyilas csillagkép irányában található, Sgr A jelű falánk óriás azonban meglepően csendes más galaxisok magjához képest.

A Tejútrendszer centrumának környékéről a 2002 októberében indított, a röntgen- és gamma-tartományban érzékeny európai műhold, az Integral segítségével végeztek megfigyeléseket, amely az Univerzum nagyenergiájú folyamatait követi nyomon. Azt már korábban is sejtették a szakemberek, hogy a Galaxisunk centrumában lapuló fekete lyuk régóta "éhezik", a műhold mérései alapján azonban kinyomozható, mikor lakott jól utoljára.

Az Integral mérései alapján kiderült, hogy Tejútrendszerünk magja valaha sokkal aktívabb lehetett, és a mainál milliószor több energiát bocsáthatott ki. A nagy tömegű fekete lyuk 350 évvel ezelőtt igen heves kölcsönhatásba kerülhetett a környezetével, és jelentős mennyiségű anyagot nyelt el.

Mielőtt azonban a fekete lyuk végleg bekebelezte volna a környezetébe kerülő anyagot, a több millió fokra hevült gáz igen erős röntgen- és gammasugárzást bocsátott ki. A fekete lyukba zuhanó anyag e "halálsikolya" nemrégiben érte el a Tejútrendszer centrumától 350 fényév távolságban található, molekuláris hidrogénből álló gázfelhőt.

Az Sgr B2 jelű molekulafelhő elnyelte, majd újra kisugározta a fekete lyukból eredő sugárzást, ezt a "visszhangot" sikerült detektálni az Integral műhold segítségével. A röntgentartományú sugárzást már korábban sikerült kimutatni, az Integral segítségével a pedig nagyobb energiájú folyamatok is vizsgálhatóvá váltak. Ezzel sikerülhett rekonstruálni, milyen folyamatok játszódhattak le a fekete lyuk 350 évvel ezelőtti, legalább 10 évig tartó aktív szakaszában.

A galaxisok középpontjában található fekete lyukak többsége nem születik ilyen hatalmas tömeggel, hanem élete során "hízik" meg, miközben gravitációs vonzása révén elnyeli környezetének anyagát. Minél "éhesebb" a fekete lyuk, annál több anyagot nyel el, miközben jelentős energiát sugároz ki.

A csillagászok sokáig nem értették, miért található egyes galaxisok középpontjában "csendes", míg másokéban aktív fekete lyuk. Az Integral felfedezése azonban azt bizonyítja, hogy időszakonként a pihenő fekete lyukak is "megéheznek", és aktívvá válnak. A Tejútrendszer esetében akár a közeljövőben is bekövetkezhet egy újabb aktív korszak.

Csengeri Timea

Új eredmény a fekete lyukak növekedéséről

A legújabb számítógépes modellek szerint a galaxisok középpontjában lapuló fekete lyuk jelentős hatással bír a galaxis egészének fejlődésére. Ez megmagyarázza, miért van közvetlen összefüggés a központi fekete lyuk és a galaxis csillagainak tömege között. Lehetséges, hogy a fekete lyukak saját maguk vetnek véget hízásuknak.

Kettős fekete lyuk környezete egy valószínűleg ütközéssel létrejött galaxisban

AJÁNLAT

• Szokatlan fekete lyukat fedeztek fel Galaxisunk szívében
• A csodák világa: fekete lyukak, féregjáratok, időutazás
• Igazolást nyert a Tejútrendszer központi fekete lyukának létezése

A galaxisok kialakulása és fejlődése kapcsán eddig nem sikerült megmagyarázni azt a megfigyelést, amely szerint közvetlen összefüggés van a galaxis központi fekete lyukának tömege és csillagainak össztömege között. A nagyobb csillagvárosokban ugyanis általában a központi fekete lyuk tömege is nagyobb, mint kevesebb csillagot számláló, kisebb társaikéban.

A pittsburghi Carnegie Mellon Egyetem, valamint a németországi Max Planck Asztrofizikai Intézet munkatársai a galaxisok fejlődésének egy új modelljét vizsgálták. A kutatók két galaxis ütközését szimulálták, de számításaik során külön figyelmet fordítottak a központi fekete lyuk fejlődésének és környezetére gyakorolt hatásának vizsgálatára. Eredményeik meglepőek: a központi fekete lyuk ugyanis az egész csillagváros fejlődésére jelentős hatással van, sőt egy önszabályozó mechanizmus révén saját tömegét is képes korlátozni.

Az első galaxisok kialakulása már néhány százmillió évvel az Ősrobbanás után megindult. Ezek viszonylag kicsi és kevés csillagot tartalmazó csillagvárosok lehettek, centrumukban kis tömegű fekete lyukakkal. Az idő folyamán azonban a gravitáció hatására a galaxisok nagyobb csoportokba, galaxishalmazokba tömörültek. E folyamat során, néhány milliárd évvel az Ősrobbanás után már gyakori jelenség lehetett a galaxisok ütközése, amelynek révén két vagy több galaxis összeolvadásából kialakultak a Tejútrendszerhez hasonló, nagy tömegű galaxisok is.

A kozmikus karambolok során összeolvadtak a galaxisok magjai, s az így meghízott fekete lyuk jelentős mennyiségű gázanyagot kezdett magába szívni környezetéből - ebben az aktív állapotában kvazárnak nevezik ezeket a korai galaxismagokat. A kutatócsoport modellezése szerint így nőhette ki magát egy kezdetben kis tömegű fekete lyuk a Tejútrendszer centrumához hasonló, több millió naptömegű objektummá.

A galaxismagok növekedésével párhuzamosan, az ütköző gázanyagban fellépő instabilitások miatt robbanásszerű csillagkeletkezés indulhatott be, amely a galaxis gázanyagának jelentős részét csillagokká alakította. Miközben azonban a fekete lyuk beszippantja a környező gázanyagot, jelentős mennyiségű energia is felszabadul, amely felhevíti és egészen a galaxis külső vidékeire sodorhatja a fekete lyuk közeléből a gázokat. Ezért a galaxis központi részéről idővel "kiürül" a gázanyag, aminek következtében a fekete lyuk lassan lecsendesedik, a csillagképződés üteme pedig csökken. Ez megmagyarázza azt a tényt, miért függ össze egy csillagváros központi fekete lyukának mérete a galaxisban látható csillagok mennyiségével.

Látható, hogy a csillagvárosok magjában lapuló fekete lyuk "hízása" a fenti önkorlátozó mechanizmus miatt bizonyos idő után leáll, hiszen elfogy környezetéből az anyag. Ez megmagyarázza azt is, hogy a kvazár-állapot miért csupán egy meghatározott, a galaxis életéhez képest rövid ideg áll fent.

A kisebb galaxisokban kevesebb mennyiségű csillagközi gáz található, így könnyebben és hamarabb fújja ki őket a központi részekről a fekete lyuk környezetéből érkező sugárzás. Mint azt a megfigyelések is alátámasztják, ezekben a galaxisokban kevesebb csillag található, és a központi fekete lyuk hamarabb "jóllakik".

A csillagvárosokban található központi fekete lyuk fejlődése tehát jelentős hatással van az egész galaxis csillagpopulációjára. Mivel a galaxisok és galaxishalmazok heves ütközése mára lecsengő folyamattá vált, a fentiek alapján az is érthető, hogy miért csupán az Univerzum egy korai szakaszában volt jellemző a kvazárok és az egyéb aktív galaxismagok jelenléte.

Csengeri Timea

Igazolást nyert központi fekete lyukunk létezése

Minden korábbinál egyértelműbben tárult fel előttünk Galaxisunk sötét centruma: német csillagászok az eddigi legjobb bizonyítékot találták arra, hogy a Tejútrendszer középpontjában egy igen nagy tömegű fekete lyuk helyezkedik el.

A Tejútrendszer egy átlagos méretű galaxis, amelyben a becslések szerint legalább 100 milliárd csillag van, s az egyik a mi Napunk. A csillagászok már régóta tudják - főleg az eddigi rádió- és röntgencsillagászati megfigyelések alapján -, hogy a Tejútrendszer középpontjában egy igen nagy tömegű fekete lyuk helyezkedik el. A fekete lyuk magába gyűjti a környékén lévő anyagot (lásd a fenti fantáziaképet), s az eközben lejátszódó heves folyamatok miatt környezete heves röntgen- és rádiósugárzást bocsát ki. A Galaxis középpontját valóban egy erős rádióforrás (Sagittarius A) jelöli ki.

A központi fekete lyuk jellemzőit a környezetére gyakorolt gravitációs hatások alapján tanulmányozni lehet. 1995-ben a Föld egyik legnagyobb optikai távcsövével, a Keck-I teleszkóppal (Hawaii, Manua Kea) a Tejútrendszer középpontja körül keringő csillagok mozgását kezdték vizsgálni. Az Andrea Ghez professzor vezetésével dolgozó csillagászok a 200 megfigyelt égitest között 20 olyat találtak, amelyeken megmutatkozott a központi fekete lyuk gravitációs hatása: a normálisnál sokkal gyorsabb mozgást végeztek. Spirális pályán, majdnem 5 millió km/h (kb. 1400 km/s) sebességgel mozogtak - ez mintegy tízszerese a tipikus sebességnek. Kiderült, hogy a pályák jellemzői alapján a Galaxis magjában egy 2,6 millió naptömegű fekete lyuknak kell lennie.

2000. szeptemberében Ghez és kollégái újabb eredményekkel álltak elő. A 200 csillagból hármat igen részletesen tudtak követni, s képesek voltak pályájuk elemzésére. Ezek közül a két közelebbi csillag mindössze 10 fénynapos távolságra volt a fekete lyuktól (ez a Nap-Föld távolságnak mindössze 1800-szorosa!). 1995 óta évente átlagosan 400 ezer km/h-val nőtt a keringési sebességük, ami minden bizonnyal a fekete lyuk gravitációs hatásának tulajdonítható.

A megfigyelések a röntgentartományban is új erőre kaptak, amikor pályára állították a NASA Chandra röntgenműholdját. Kitűnő érzékenységének és felbontásának köszönhetően lehetővé vált a Tejútrendszer magjában lévő röntgensugárzó anyag kimutatása. 2001-ben a Chandra egy látványos felvillanást is észlelt a Tejútrendszer magjában (balra), ami annak jele lehetett, hogy a központi fekete lyuk anyagot nyelt el.

A fenti eredmények ellenére sem lehettek a csillagászok teljesen bizonyosak abban, hogy a megfigyelt csillagok által kerülgetett tömeg valóban fekete lyuk-e. A csillagok többsége ugyanis túl messze volt a középponttól. Mostanáig tehát más típusú objektum - például egy nagy tömegű objektumokból (például neutroncsillagokból) álló, igen sűrű halmaz - létezése is szóba kerülhetett.

Rainer Schödel és munkatársai (Max-Planck Institute for Extraterrestrial Physics, Garching, Németország) legújabb eredménye azonban félresöpör minden más lehetőséget.
 

Schödelék már 10 éve követik figyelemmel a Galaxis központja körül keringő csillagok mozgását. Ez idő alatt kifinomult asztrometriai módszerekkel az S2 jelzésű csillagot pályájának kétharmadán sikerült nyomon követniük. A S2 keringési ideje 15,2 év, s jelenleg ez a központhoz (Sagittarius A) legközelebb eső csillag. A megfigyelt pályaszakaszba az apocentrum és a pericentrum is beleesett (vagyis a centrumtól legtávolabbi és ahhoz legközelebb állapot). Pericentrumban a csillag távolsága mindössze 17 fényóra volt!

A Schödelék szerint a pálya jellemzői tökéletesen illeszkednek azokhoz az előre megjósolt paraméterekhez, amelyekkel egy olyan csillagnak kell rendelkeznie, amely egy viszonylag kis kiterjedésű, de nagy tömegű, kompakt objektum körül kering. A pálya jellemzői alapján a központi tömeg 3,7 (plusz-mínusz 1,5) millió naptömeg, azaz jól illeszkedik a korábban jósolt adatokkal. Az adatok alapján kizárható egy kiterjedtebb, egyedi objektumokból álló sűrű halmaz létezése.

A kutatók a Nature 2002. október 17-ei számában számoltak be eredményeikről (Schödel, R. et al. A star in a 15.2-year orbit around the supermassive black hole at the centre of the Milky Way. Nature, 419, 694 - 696, 2002).

[origo]

A csodák világa: fekete lyukak, féregjáratok, időutazás

Tartalmazhat-e a tér egy tartománya a semminél is kevesebbet? Józan eszünk azt mondatja velünk, hogy ez lehetetlen, hiszen ha minden anyagot és sugárzást eltávolítunk, akkor vákuum, üresség marad vissza. A kvantumfizikusok válasza, ahogy már megszokhattuk, eltér a hétköznapitól. Szerintük a tér valamely tartományában az egységnyi térfogatban levő energia lehet a nullánál kevesebb. A következmények persze igen különösek. 1/4. oldal >>  AjánlatNegativ energy, Wormholes and Warp Drive Lawrence H. Ford és Thomas A. Roman cikke a Scientific American különszámában (csak díj ellenében elérhető): Az alábbi összeállítás egy sorozat első része, amely a Scientific American c. tudományos-ismeretterjesztő lap a fizikai tudás határaival foglalkozó különszáma alapján készült. A negatív energiával kapcsolatos, Lawrence H. Ford és Thomas A. Roman tollából származó cikket Jéki László fizikus "szelídítette meg" és egészítette ki Olvasóink számára. Einstein általános relativitáselmélete szerint az anyag és energia jelenléte alakítja ki a téridő szerkezetét. Einstein pozitív tömeggel, pozitív energiával számolt. Ha létezik olyan különleges anyag, amelynek tömege vagy energiája negatív, akkor fantasztikus, eddig csak a tudományos-fantasztikus regények és filmforgatókönyvek szerzőinek képzeletében lévő lehetőségek nyílnak meg. Alagútként viselkedő féreglyukakon át eljuthatunk az Univerzum eddig megközelíthetetlen távoli tartományaiba, a téridő-görbület mentén a fénynél gyorsabban mozoghatunk, s olyan időgépet építhetünk, amely visszavihet minket a múltba. Negatív energia segítségével még örökmozgót is lehet építeni, és a fekete lyukak elpusztítása is megvalósítható. Mielőtt túlzottan beleélnénk magunkat ebbe a fantasztikus világba, előrebocsátjuk a végkövetkeztetést: negatív energia ugyan valóban létezik, de a természet olyan korlátok közé szorította lehetséges nagyságát és időtartamát, hogy a féreglyukak, örökmozgók és társaik kénytelenek a fantázia világában maradni. Az írás két szerzője, Lawrence H. Ford és Thomas A. Roman, amerikai egyetemek fizikaprofesszorai, az elmúlt évtizedben a negatív energia korlátozott jelenlétével foglalkoztak. Negatív energia keletkezése és előállítása<< 2/4. oldal >> A negatív energia nem tévesztendő össze az antianyaggal, utóbbinak ugyanis pozitív az energiája. Nem tévesztendő össze továbbá a Világegyetem gyorsuló tágulásának leírásánál szerepelő "sötét energiával" sem. A negatív energia eredete a Heisenberg-féle határozatlansági relációra vezethető vissza: eszerint bármilyen elektromos, mágneses vagy más tér energiája véletlenszerűen ingadozik, fluktuál. A fluktuáció akkor is fellép, ha az átlagos energiasűrűség nulla, ez a helyzet a vákuumban. A kvantum-vákuum tehát sohasem üres a hagyományos értelemben, tele van virtuális részecskékkel, ezek állandóan keletkeznek és megszűnnek. Már nincs is más teendő, mint egy olyan megoldást kitalálni, amellyel ezt az ingadozást megszüntethetjük és a vákuum energiája a nulla alá csökken. A negatív energia előállítására több módszert is találtak már. A kvantumoptikában sikerült olyan különleges térállapotokat létrehozni, amelyekben a kvantuminterferencia elnyomja a vákuumfluktuációkat, s egymással váltakozó pozitív és negatív energiájú térrészek alakulnak ki. Nonlineáris optikai anyagokon átbocsátott lézerfénnyel hozhatók létre ilyen állapotok. A másik lehetséges megoldás a Casimir-effektus. Két töltés nélküli, egymással párhuzamos fémlap úgy változtatja meg a vákuumfluktuációkat, hogy a két lemez vonzani kezdi egymást. A két lemez között negatív energiájú tér alakul ki, ezért lép fel a vonzás. Minél szűkebb a két lemez közti rés, annál több negatív energia lép fel, annál erősebb a vonzás. Fekete lyukak, féregjáratok, időutazás<< 3/4. oldal >> A modern fizikában több területen is felbukkan a negatív energia. Stephen W. Hawking 1974-ben felvetette, hogy a fekete lyukak sugárzás kibocsátásával elpárolognak. A róla elnevezett Hawking-sugárzás révén a fekete lyuk így termikus egyensúlyba kerülhet a környezetével. A fekete lyukba csak befelé áramolhat energia. Kifelé áramló párolgás csak úgy létezhet, ha egyidejűleg negatív energia áramlik be a fekete lyukba. A fekete lyuk körül rendkívüli módon görbül a téridő, ez megzavarja a vákuumfluktuációkat és negatív energia jelenik meg. Ha van negatív energia, akkor a fekete lyukak fizikája és a termodinamika között nincs ellentmondás. (Ezzel kapcsolatban lásd a sorozat korábbi cikkét.) A negatív energiának komoly szerep jut a feltételezett féreglyukak, féregjáratok körül is. Ezek távoli téridő-tartományokat összekötő alagutak lennének. Az 1980-as években több elméleti fizikus számításai arra mutattak, hogy a féregjáratok olyan nagyok lehetnek, hogy ember vagy űrhajó is mozoghatna bennük. A Földön belépnénk egy ilyen járatba és egy távoli ponton, mondjuk az Androméda-galaxisban szállnánk ki. A téridő ilyen torzulásai még egy fantasztikus lehetőséget nyithatnak meg. Olyan téridő-buborékot lehet létrehozni, amelynek a belsejében a környezetéhez képest tetszőlegesen nagy sebességgel mozoghatna egy űrhajó. A különleges görbületek mentén megelőzhetnénk a fénysebességgel mozgó tárgyakat. A speciális relativitáselmélet csak a fénnyel azonos úton mozgó tárgyakra mondja ki, hogy nem előzhetik meg a fényt. A-ból B-be mozogva választhatnánk a fényúttól eltérő olyan görbületet, amelyen előbb érhetnénk B-be, mint a fény. Lehetővé válna az időutazás. Hawking bebizonyította, hogy a téridő valamilyen véges tartományában csak úgy lehet időgépet építeni, ha van negatív energia, anélkül nem megy. A negatív energia léte és hatása a fizika több elfogadott és eddig bevált törvényének ellentmond, például a termodinamika második főtételének. Negatív energianyalábbal lehűthetnénk egy pohár vizet, a kivont pozitív energia pedig motort működtetne. Ez az örökmozgó akkor működőképes, ha megoldható a negatív és a pozitív energia korlátlan szétválasztása. Az illúziók vége:a kölcsön energia visszajár<< 4/4. oldal A világ szerencsére (?) nem ilyen. A kvantumelmélet megengedi a negatív energia létezését, de csak szigorú korlátok között. Az ún. kvantum-egyenlőtlenség korlátokat szab meg a negatív energia nagyságára és időtartamára. Egy negatív energianyaláb nem lehet tetszőlegesen hosszú ideig akármilyen erős. A negatív energia megengedett nagysága fordítva arányos térbeli vagy időbeli kiterjedésével. Egy erős negatívenergia-impulzus rövid ideig tarthat, egy gyengébb hosszabban. Nagyon lényeges az is, hogy minden negatívenergia-impulzust egy nála nagyobb pozitívnak kell követnie. Minél nagyobb a negatívenergia-impulzus, annál hamarabb követi a pozitív jel. Ezek a megszorítások függetlenek a negatív energia keletkezésének, előállításának módjától. A pozitív impulzus nem egyszerűen követi a negatívat, hanem mindig nagyobb is nála, s annál nagyobb, minél később követi. A Casimir-effektusnál a lemezek közti negatív energiasűrűség tartósan fennmaradhat, de nagy sűrűséget csak egymáshoz nagyon közeli lemezekkel lehet elérni. A negatív energiasűrűség nagysága fordítottan arányos a lemezek közti távolság negyedik hatványával. A kvantum-egyenlőtlenség korlátozza a féreglyukak lehetséges méretét is. Csak szubmikroszkópikus méretekben hozható létre, a szerzők számításai szerint egy féreglyuk nyílásának a sugara mindössze 10-32 méter lehet. Modellszámítások szerint elvileg makroszkópikus méretű féreglyuk is létrehozható, ehhez viszont a végénél elképzelhetetlenül vékony sávba kellene koncentrálni a negatív energiát. 1 méteres féreglyuk sugár kialakításához a negatív energia sávja nem lehet vastagabb 10-21 méternél, ez a proton méretének milliomod része. Ráadásul a méteres féreglyuk létrehozásához annyi negatív energiát kellene koncentrálni, amennyi pozitív energiát 10 milliárd csillag termel egy év alatt! A kivitelezés egyelőre lehetetlennek tűnik. A fénysebesség tízszeresével mozgó téridő-buborék falának vastagsága nem haladhatja meg a 10-32 métert. Egy 200 méteres űrhajó befogadására alkalmas buborék létrehozásához szükséges negatív energia a megfigyelhető Világegyetem tömegének tízmilliárdszorosa. A kvantum-egyenlőtlenség megköveteli a pozitív energia dominanciáját. A negatív energiát olyan energiakölcsönnek foghatjuk fel, amelyet kamatostól kell visszafizetni. Ha a kamat hosszúlejáratú, akkor magasabb. Minél nagyobb a kölcsönvett mennyiség, a kamat annál magasabb. Minél nagyobb a kölcsön, annál rövidebb időre vehető kölcsön. A természet okos bankár, mindig behajtja az adósságot. Jéki László mennyiség, a kamat annál magasabb. Minél nagyobb a kölcsön, annál rövidebb időre vehető kölcsön. A természet okos bankár, mindig behajtja az adósságot. Jéki László Akcióban Galaxisunk fekete lyuka A NASA Chandra röntgenműholdja egy látványos felvillanást észlelt a Tejútrendszer magjában, ami annak jele, hogy a központi fekete lyuk anyagot nyelt el. A csillagászok már régóta tudják, hogy a Tejútrendszer középpontjában egy igen nagy tömegű fekete lyuk helyezkedik el. A központ körüli csillagok és gázanyag gyors mozgása alapján 2,6 millió naptömeg körüli lehet a tömege. Ha azonban tényleg van ott egy fekete lyuk, akkor a röntgentávcsöveknek már észlelnie kellett volna egy olyan árulkodó röntgenfelvillanást, amely az objektum körüli, szuperforró gázkorong anyagából származik (a csillagászok ezt tömegbefogási korongnak nevezik). Más galaxisok szívében számos ilyen röntgensugárzó korongot figyeltek meg, a Tejútrendszernél azonban ez sokáig váratott magára. A Chandra röntgenműholdnak ezért egyik fő feladata volt e jelenség megfigyelése. 1999 szeptemberében ez végre sikerült: a fekete lyuk körül örvénylő gázanyagból halvány röntgenkibocsátást észlelt.  Mintegy egy évvel később a hatalmas szörnyeteget éppen akció közben érték tetten, amint magába A Chandra megfigyeléseiből készült felvétel középpontjában a Tejútrendszer centrumában bekövetkezett röntgenkitörés látható, fényes folt formájában A kitörésben felszabadult energia alapján a fekete lyuk által elnyelt anyagcsomó tömege egy üstökösmag vagy egy kisbolygó tömegéhez fogható. A röntgenkitörés intenzitásában bekövetkező gyors változások azt jelzik, hogy olyan anyagot észleltek, amely mindössze 150 millió kilométerre, azaz a Föld-Nap távolságra volt a fekete lyuktól. Ez abszolút "közelségi rekordnak" számít, s a jelenség részletes elemzése új tényekre világíthat rá Galaxisunk sötét szívével kapcsolatban. S. T. szippantotta környezetének anyagát. 2000. október 26-án a Chandra erőteljes röntgenkitörést észlelt a galaxis centrumából. Néhány percnyi időtartamra a röntgensugárzás erőssége a normálisnak 45-szeresére emelkedett, majd néhány órával később az eredeti értékre tért vissza.

Vándorló fekete lyuk

Egy fekete lyukat és egy körülötte keringő, nehéz elemekben szokatlanul gazdag csillagot vizsgáltak a Tejútrendszert övező gömb alakú térrészben.

Forrás: NASA/CXC/M.Weiss; X-ray Spectrum: NASA/CXC/U.Michigan/J.MillerFantáziarajz a GRO J1655-40 jelű páros fekete lyukát övező korongról, és az abból kifelé tartó anyagáramlásról

Az Ursa Maior (Nagymedve) csillagkép irányában található fekete lyukat, és a körülötte keringő csillagot még 2000-ben fedezték fel. A páros a Tejútrendszer idős halojában (a korongot övező gömb alakú térrészben) helyezkedik el, több mint 5000 fényévnyire a korong alkotta fősík "felett".

Jonay González Hernández (Astrophysics Institute, Canary Islands) és kollégái a 10 méteres Keck II. teleszkóppal vizsgálták a fekete lyuk partnerét. Kiderült, hogy az égitest  fémtartalma nem csak a haloban található átlagos csillagokét, de még a fősíkban elhelyezkedő Napét is meghaladja. A halo a Tejútrendszer életének elején született, és ezért a csillagokban később legyártott nehéz elemekből keveset tartalmaz. Ezzel ellentétben a fősík fiatalabb csillagai már sokat tartalmaznak a korábbi égitestek által legyártott nehéz elemekből.

A szokatlan fémtartalom egyik lehetséges magyarázata, hogy nem is a haloban, hanem a fősíkban, nehéz elemekben gazdag anyagból született a páros. Amikor a nagyobb tömegű, és ezért rövidebb életű csillag pályafutását befejezte, szupernóvaként robbant fel.

Ma már tudjuk, hogy a szupernóva-robbanások alkalmanként erősen aszimmetrikusak, és ekkor a centrumban keletkezett neutroncsillag vagy fekete lyuk nagy sebességgel kilökődik eredeti helyzetéből. Talán a mi objektumunk is így jutott ki a haloba. Kérdés azonban, hogy egy ilyen kilökődésnél magával tudta-e rántani párját - az ilyen folyamat lezajlását egyelőre nem ismerjük pontosan.

A másik lehetőség, hogy a páros mégis a haloban született. Az egyik égitest itt is szupernóvaként fejezte be életét, majd a robbanáskor kirepített anyagból valamiért nagyon sok landolt a társán - megnövelve annak fémtartalmát, és létrehozva egy nehéz elemekben szokatlanul gazdag csillagot.

Fantáziarajz a páros lehetséges útvonaláról (I. Rodrigues, I.F. Mirabel / STScI / NRAO / AUI / NSF)

A fekete lyukak és a társaik közötti kapcsolat jellegébe enged bepillantást egy, a fentitől független híradás. A Chandra-röntgenteleszkóppal a GRO J1655-40 jelű párost vizsgálták, ahol szintén egy fősorozati csillag kering egy fekete lyuk körül. A korábbi megfigyelések alapján úgy tűnik, hogy feltehetőleg egy közel  hétszeres naptömegű forgó fekete lyuk van a rendszerben, amely körül egy Napunknál kb. kétszer nehezebb fősorozati csillag kering.

A fekete lyuk körüli anyagkorongot a röntgentartományban elemezték, amely több millió fokos hőmérséklete miatt erős sugárzást bocsát ki. A spektrumban azonosított oxigén, nikkel és számos egyéb ion színképvonalai alapján több millió fokos turbulens gázáramlás halad kifele a fekete lyuk környezetéből. Ennek hőmérséklete és intenzitása olyan folyamatra utal, amely felfűti és "kifújja" az anyagot a térségből. Ilyen áramlás már sok hasonló objektumnál mutatkozott, amelyek kialakításában a feltételezések szerint kulcsszerepet játszanak a korongban zajló mágneses folyamatok - de a jelenséghez eddig nem sikerült közelebb jutni.

A GRO J1655-40 vizsgálata alapján az alábbi kép rajzolható meg. A társcsillagról gáz áramlik át a fekete lyuk körüli akkréciós korongba, és a gázanyag mágneses teret is visz magával. Amint az anyag befelé spirálozik, helyenként örvénylő mozgást végez és erős mágneses turbulenciák keletkeznek. Ezek belső súrlódást okoznak a korongot alkotó ionizált és ezért vezető anyagban, és részben a nagy sebességű gázáramlás formájában adják le energiájukat.

A folyamat elviszi a kavargó anyag lendületének jelentős részét, ezért a korongban maradt forró gáz, illetve plazma befelé, a fekete lyuk irányába zuhan. A fenti kép tehát magyarázatot ad a kifelé és a befelé irányuló anyagáramlásra, mindezek mellett pedig közreműködik az anyag felforrósításában.

Kereszturi Ákos

Két óriási ütköző fekete lyuk

Egymás körül keringő nagytömegű fekete lyukakat fedeztek fel, amelyek idővel összeolvadhatnak, egy még nagyobb objektumot alakítva ki.

Forrás: DSS, Palomar ObservatoryA két összeolvadó galaxisból és egymás körül keringő központi fekete lyukból álló NGC 1128

Az elmúlt évtizedben egyértelművé vált, hogy a nagyobb galaxisok centrumában rendkívül nagytömegű fekete lyukak foglalnak helyet. Az egyik fontos kérdés velük kapcsolatban, hogy vajon miként jöttek létre: valamilyen ősi, egyelőre ismeretlen folyamat során eleve így születtek, vagy fokozatos növekedéssel híztak meg.

Egy nemzetközi kutatócsoport (University of Virginia, Bonn University, Naval Research Laboratory) a Chandra-röntgenteleszkóp segítségével két távoli fekete lyukat vizsgált. Az Abell 400 jelzésű galaxishalmaz központi vidékét tanulmányozták, ahol egy korábbi megfigyelés alapján már felmerült, hogy két rendkívül nagytömegű fekete lyuk található egymás közelében. Ezek a 3C75 jelű rádióforrásban mutatkoznak.

Azt azonban eddig nem sikerült megállapítani, hogy a két fekete lyuk csak látszólag mutatkozik-e egymás mellett, avagy egymás körül is keringenek. A fekete lyukak - miközben a környezetükben lévő gázanyagot magukhoz vonzzák - erős röntgensugárzást bocsátanak ki, és a beléjük spirálozó gáz ellenhatásaként két-két rádiósugárzó anyagsugarat lövellnek az űrbe.

Az anyagsugarak alakjából most a két fekete lyuk múltbéli mozgására és egyéb jellemzőire sikerült nagyvonalakban következtetni. Eszerint nem véletlenül tartózkodnak egymás közelében, hanem szoros gravitációs kapcsolatban állnak egymással, és egymás körül keringenek. Feltehetőleg két galaxis ütközésekor jutottak egymás közelébe, és azóta nem váltak külön. A két fekete lyuk az Abell 400 halmaz intergalaktikus anyagán kb. 1200 km/s sebességgel halad keresztül, és az így keletkező áramlás kissé "elfújja" a belőlük kirepülő anyagsugarakat.

Az Abell 400 galaxishalmaz centrumában lévő 3C75 jelű rádióforrás röntgen- és rádiófelvételekből összeállított kompozitképe. A két kiáramló anyagsugár az objektumok egymás körüli mozgása miatt látszólag kaotikusan változó irányokba mutat (kép: NRAO/AUI, F.N. Owen, C.P. O'Dea, M. Inoue, J. Eilek)

A két objektum külön-külön is nagytömegű fekete lyuknak számít, összeolvadásuk után pedig még nagyobb "behemóttá" alakulnak majd. A megfigyelés újabb érv amellett, hogy a nagytömegű, központi fekete lyukak fokozatosan, akár egymás bekebelezéssel is növekedhetnek.

Kereszturi Ákos

Neutroncsillag zuhant egy fekete lyukba

Első alkalommal sikerült részletesen megfigyelni, miként szakít darabokra és kebelez be egy fekete lyuk egy körülötte keringő, és hozzá túl közel merészkedő neutroncsillagot.

Forrás: NASAFantáziarajz a bekebelezés előtti pillanatokról

A neutroncsillagok néhány naptömegű, atommag sűrűségű objektumok, amelyek a legnagyobb csillagok élete végén születnek. Amikor az ilyen csillagok nukleáris üzemanyaga kifogy, centrumuk összeroskad. Ha ekkor az itt keletkező mag nem nehezebb 3-4 naptömegnél, akkor neutroncsillag születik belőle. Amennyiben meghaladja ezt a kritikus határt, már fekete lyuk marad vissza utána. (A galaxisok centrumában lévő, sokmillió naptömegű fekete lyukak nem tartoznak ebbe a csoportba, azok a fentiektől eltérő, egyelőre ismeretlen folyamat révén keletkeztek.)

A szakemberek már jó ideje sejtik, hogy a gammakitörések (gammavillanások) hosszabb lefutású képviselői extrém nagytömegű csillagok élete végén bekövetkező hipernóva-robbanások alkalmával keletkeznek -, amelyet követve a mag fekete lyuk formájában marad vissza. A rövidebb gammavillanások pedig két neutroncsillag, illetve egy neutroncsillag és egy fekete lyuk találkozásakor jöhetnek létre. Ezúttal az utóbbira sikerült egy példát részletesen is megfigyelni.

A NASA Swift műholdja 2005. július 24-én egy 40 milliomod másodpercig tartó gammavillanást rögzített, amely a GRB 050724 jelzést kapta. Ez a fent említett rövid villanások közé tartozott, egy halvány utófénylést mégis sikerült megfigyelni, méghozzá az elektromágneses színkép több tartományában. A robbanást követően a röntgen-, az optikai-, az infravörös- és a rádió hullámhosszakon egyaránt jelentkezett sugárzás, ami az események viszonylag pontos rekonstrukcióját tette lehetővé.

A részletes vizsgálat arra utal, hogy a kibocsátott sugárzás jelentős része keskeny nyalábban távozott, a hosszú gammavillanásoknál megfigyeltekhez hasonlóan. Itt azonban nem történt hipernóva-robbanás, sokkal kisebb energiák működtek közre. Edo Berger (Carnegie Observatories) és kollégái a chilei Las Campanas Obszervatórium és a VLA rádióteleszkóp-rendszer segítségével tanulmányozták az utófénylést. Sikerült megállapítaniuk, hogy a jelenség egy 3,5 milliárd fényévre lévő elliptikus galaxis idős peremvidékén történt, ahol elméletileg sok fekete lyuk és neutroncsillag fordulhat elő.

A kataklizma forgatókönyve

Scott Barthelmy (NASA Goddard Space Flight Center) és kollégái vizsgálata alapján az alábbi forgatókönyv szerint zajlottak az események. A kataklizma előtt egy fekete lyuk és egy neutroncsillag egymás körül keringve alkotott kettős rendszert. A páros az általános relativitáselmélet értelmében gravitációs hullámok kibocsátásával fokozatosan mozgási energiát veszített, és a tagok egymástól mért távolsága fokozatosan csökkent. A neutroncsillag idén, júniusban annyira közel jutott a fekete lyukhoz, hogy annak árapály-erejétől szétdarabolódott és egy elnyúlt, rendkívül gyorsan keringő törmelékívet alkotott. Anyagának nagyobb része gyorsan belezuhant a fekete lyukba, ekkor következett be a robbanás. Néhány kisebb darab, csak a következő tizedmásodpercekben jutott hasonló sorsra, ezek hozták létre a röntgen- és optikai tartományban valamivel később tapasztalt felfényesedéseket. A későbbiekben még hosszú perceken, illetve órán át jelentkező sugárzás pedig a visszamaradt kevés ionizált gáztól származhatott.

A fenti magyarázatot alátámasztja, hogy ha két neutroncsillag ütközött volna, a jelenség ennyire nem húzódik el időben, és nincs ilyen erős utófénylés. Az sem ad kielégítő magyarázatot a tapasztaltakra, ha két fekete lyuk találkozott volna. Egy nagytömegű csillag élete végén feltételezett hipernóva-robbanás pedig hosszabb és több nagyságrenddel energikusabb jelenséget okozott volna. Jelenleg csak egyetlen objektum képes egy neutroncsillag szétszakítására, egy fekete lyuk - feltehetőleg egy ilyen egzotikus eseményt sikerült megörökíteni.

Neutroncsillag fekete lyuk helyett

A Chandra-röntgenteleszkóp új megfigyelése alapján egy közel 40 naptömegű csillag halála után a mag neutroncsillagként maradt vissza - pedig az elméleti modellek alapján fekete lyuknak kellett volna keletkeznie.

Forrás: 2MASS/UMass/IPAC-Caltech/NASA/NSFA Westerlund-1 halmaz képe az infravörös tartományban, amelyet a 2MASS program keretében készítettek

A hagyományos elképzelés szerint a nagytömegű csillagok életük végén, nukleáris üzemanyaguk elfogyasztása után szupernóva-robbanáskeretében semmisülnek meg. Külső rétegeiket szétszórják az űrben, míg összeroskadt magjuk egy kompakt égitest: neutroncsillag vagy fekete lyuk formájában marad vissza.

Az eddigi megfigyelések és elméleti modellek alapján a viszonylag kisebb tömegű, de 3-4 naptömegnél nehezebb csillagok élete végén marad vissza neutroncsillag, míg a legnehezebb csillagok megsemmisülése után keletkezik fekete lyuk. A Chandra-röntgenteleszkóp új megfigyelései alapján lehetségesnek látszik, hogy a helyzet ennél a valóságban bonyolultabb.

A megfigyelések keretében a Westerlund-1 jelű fiatal, kb. 3,5-5,0 millió éves nyílthalmazt tanulmányozták. Ez egy kb. 8200 fényév távolságban lévő sűrű csillagcsoport, amelyet egyesek "szuper csillaghalmaznak" is neveznek. Több mint 100 olyan égitestet sikerült azonosítani benne, amelyek tömege meghaladja a 30 naptömeget, és maga a halmaz Tejútrendszer legnehezebb nyílthalmazának számít.

A sok és egymáshoz közeli nagytömegű égitest miatt néhány szakember már korábban felvetette, hogy a csillagokból életük végén itt keletkező fekete lyukak egymással össze is olvadhatnak. A sűrű halmazban összetalálkozó fekete lyukak pedig ún. közepes tömegű fekete lyukat hoznatnak létre, amilyenek létére korábban néhány gömbhalmaznál utaltak a megfigyelések.

Az ilyen közepes, nagyságrendileg 100 naptömegű fekete lyukak átmeneti kategóriát képeznek az egy-egy csillag után visszamaradó néhány naptömegű, és a galaxisok centrumában lévő több millió naptömegű fekete lyukak között. A Chandra-röntgenteleszkóppal a Westerlund-1 halmaz esetében kerestek közepes tömegű fekete lyukat a szakemberek.

A Westerlund-1 halmaz képe az optikai tartományban (balra) , és a Chandra röntgenfelvételén (jobbra), a nyíl a neutroncsillagot jelzi (fotó: NASA/CXC/UCLA/M.Muno et al.)

A megfigyelések során nem akadtak egyetlen fekete lyukra sem, ellenben egy neutroncsillagot találtak, amely a CXO J164710.2-455216 jelzést kapta. Mivel a csillagok élettartama tömegükkel függ össze, sikerült megbecsülni, hogy a neutroncsillag szülőégiteste mekkora tömeggel bírhatott. A halmaz összes tagja közel egy időben született, ebből kiindulva Michael Muno (UCLA) és kollégái szerint a neutroncsillagot létrehozó égitest tömege közel 40-szerese lehetett a Napénak. A korábbi elgondolások alapján egy ekkora csillag élete végén  fekete lyuk marad vissza - nem pedig neutroncsillag, ahogy azt most találták. A fenti mérés természetesen csak egyetlen eredmény, amiből még nem szabad messzemenő következtetést levonni - de arra utal, hogy elképzelhető: a kifejezetten nagytömegű csillagokból sem keletkeznek mindig fekete lyukak.

[origo]

Felvétel készülhet egy fekete lyukról

Bár a nevükhöz hűen a fekete lyukak sugárzást nem bocsátanak ki, a műszertechnika fejlődése révén hamarosan mégis elképzelhető, hogy egy fekete lyuk sziluettjét megpillanthassuk.

Forrás: NASA, MAXIMFantáziarajz a fekete lyukba spirálozó és felforrósodó anyagról

Az egyelőre csak papíron létező megfigyelési lehetőség kiindulópontja, hogy a fekete lyukak erős kölcsönhatásba lépnek környezetükkel. Ennek keretében gáz spirálozik feléjük, majd végül a fekete lyukba hullik. A befelé haladás folyamán az anyag egyre forróbb lesz, és egyre erősebben sugároz. Ha a sugárforrás a fekete lyuk egyik oldalán, a megfigyelő pedig a másik oldalán áll, az objektum helyét sötét foltként vehetjük észre a világító gáz- és plazmafelhő előtt.

A jelenség a rendkívül erős gravitációs tér miatt a valóságban bonyolultabb, mint a fenti vázlat, tehát a fekete lyuk nem csak egyszerűen kitakarja a távolabbi sugárforrást. Az objektum gravitációs tere ugyanis egy lencse módjára fókuszálja is a sugárzást - elméletileg azonban lehetséges, hogy a fekete lyuk sötét sziluettje, illetve annak egy sajátos formája a világító háttér előtt kirajzolódjon. Ennek megfigyelése elsősorban azért nehéz, mert a fekete lyukak igen kisméretűek. Egy nagy és közeli fekete lyuknál azonban a következő évtizedekben lehetséges lesz a megfigyelés: elsőként várhatóan a Tejútrendszer centrumában lévő, extrém nagytömegű fekete lyuk sötét sziluettjét pillanthatjuk meg.

A megfigyeléshez a milliméternél rövidebb, szubmilliméteres és infravörös tartományban üzemelő teleszkópokat egyetlen hatalmas távcsővé kell összekapcsolni a Földön. Az úgynevezett interferométeres technológia révén az egymástól távoli távcsövek egyetlen hatalmas teleszkóp részeként üzemeltethetők. Bár ennek a Föld méretű megvalósítása igen nehéz, a szakemberek szerint kb.egy évtized múlva megoldható.

A módszerrel elméletileg sikerül majd galaxisunk centrumában, mintegy 25 ezer fényév távolságban lévő központi fekete lyuknak a méretét meghatározni, és esetleg a forgására is következtetni. A számítások szerint sötét sziluettje nagyságrendileg milliomod ívmásodperc szögméretű foltként lenne megfigyelhető. Napjainkban a technológia néhány tized, vagy néhány század ívmásodperc közelébe képes fokozni a távcsövek felbontóképességét. A megfigyeléshez elérendő felbontóképesség kb. tízezerszer jobb annál, amire napjainkban a Hubble-űrtávcső a látható tartományban képes.

Sikeres észlelés esetén ez lesz a történelem első felvétele egy fekete lyuk sziluettjéről, amely valószínűleg minden csillagászati tankönyvbe bekerül majd. Bár az erős gravitációs tér miatt a fekete lyuk környezetéből távozó sugárzás iránya jelentősen megváltozik, elvileg rekonstruálni lehet majd a fekete lyuk környezetét, és akár részletesen megfigyelni, miként kebelezi be a hozzá közeli anyagcsomókat.

[origo]

Stephen Hawking: Mégsem teljesen feketék a fekete lyukak

Már Stephen Hawking sem tartja teljesen feketének a fekete lyukakat, korábbi álláspontját feladva úgy véli, mégiscsak szabadulhat ki információ azokból.

AJÁNLAT

A fekete lyukba zuhanás természetrajzaVissza lehet-e szerezni azt az információt, amit egy fekete lyuk által elnyelt anyag hordozott? Ha a regényünk kéziratát őrző számítógép belezuhan egy fekete lyukba, akkor művünk örökre elveszett?

LINKTÁR

Linkek a fekete lyukakról

KORÁBBAN

• Fekete lyukunk közvetlen határán
• Központi fekete lyukunk éhezik

A fekete lyukak eredeti felfogása szerint a tér egyes tartományaiban az anyag végtelen kicsi és sűrű pontba zuhan össze. Az elmélet szerint itt olyan erős a gravitációs tér, hogy semmi, még fény sem léphet ki innen, ezért a fekete lyuk elnevezés. (Az elnevezés egyébként 1967-ben született meg, A. Wheeler amerikai fizikus előadása közben a hallgatóságból kiabálta be valaki, és az előadó átvette.)

A fekete lyuk abszolút fekete voltát később többen kétsége vonták. A kvantummechnika szerint a folyamatok megfordíthatók, tehát a fekete lyuknak tárolnia kell a beléje zuhant tárgyakra vonatkozó információt, és ez onnan valamilyen módon kinyerhető. Egy korábbi írásunkban arra a kérdésre kerestük a választ, hogy vissza lehet-e szerezni azt az információt, amit egy fekete lyuk által elnyelt anyag hordozott. Stephen W. Hawking szerint az információ gyakorlatilag elvész, Gerard 't Hooft, a fizikai Nobel-díj 1999. évi egyik nyertesének álláspontja szerint a fekete lyukak sem sérthetik meg a kvantummechanika jól ismert törvényeit. A legnagyobb fizikusok véleménye tehát a kérdésben megoszlik.

Hawking régóta dolgozik a kvantumelmélet és az általános relativitáselmélet mindmáig megoldatlan egyesítésén. Új eredményeit a Cambridge-i Egyetemen a közelmúltban mutatta be, ezen a héten pedig Dublinban tárja a szakemberek elé egy nemzetközi konferencián. Szerinte abszolút értelemben vett fekete lyuk nem létezik, csak olyan térrész, ahonnan nagyon hosszú idő elteltével szabadulhatnak ki dolgok. A fekete lyukba zuhanó tárgy tehát nem semmisül meg teljesen, s a fekete lyuk megváltozik a tárgy elnyelése során. Nyilvánvalóan nem könnyű az információt visszanyerni, mégis, az információnak léteznie kell valahol a fekeke lyukban. Hogyan juthat ki a lyukból ismét az információ? Erre Hawking korábbi nagy felfedezése adja meg a választ: a fekete lyuk lassan párolog, mert részecskék lépnek ki a gravitációs szakadék széléről - ez az úgynevezett Hawking-sugárzás. A fekete lyuk tehát idővel kis maggá zsugorodik, ekkor felerősödik a sugárzás, és ez viheti magával az elveszettnek vélt információt.

Az első kritikai észrevételek szerint Hawking új kvantumgravitációs elméletének nem elég szilárdak a matematikai alapjai.

Fekete lyukunk közvetlen határán

Megmérték a Tejútrendszer középpontját: minden korábbinál pontosabb mérésekkel sikerült meghatározni a Tejútrendszer magjában lévő fekete lyuk közvetlen környezetének átmérőjét.

A Tejútrendszer egy átlagos méretű galaxis, amelyben a becslések szerint legalább 100 milliárd csillag van (az egyik a mi Napunk). A csillagászok már 30 éve tudják, hogy a Tejútrendszer magjában - amely tőlünk 26 ezer fényévnyire található - egy igen nagy tömegű fekete lyuk helyezkedik el. A fekete lyuk magába gyűjti a környékén lévő anyagot, s az eközben lejátszódó heves folyamatok miatt környezete heves röntgen- és rádiósugárzást bocsát ki. A Galaxis középpontját valóban egy erős rádióforrás, a Sagittarius A jelzésű objektum jelöli ki.

A központi fekete lyuk tömegét a környezetére gyakorolt gravitációs hatások alapján tanulmányozni lehet. A körülötte keringő csillagok pályáinak jellemzői alapján (részletesen lásd korábbi cikkünket) a Galaxis magjában egy több millió naptömegű fekete lyuknak kell lennie. 2002 októberében német csillagászok ezt 3,7 (plusz-mínusz 1,5) millió naptömegben határozták meg, miközben az is bizonyítást nyert, hogy a központi objektumnak viszonylag kis kiterjedésűnek kell lennie. Tekintse meg a fentiekhez kapcsolódó videókat! (Technikai segítség a lejátszáshoz)

De mekkora valójában a fekete lyuk, illetve közvetlen környezete, a Sagittarius A átmérője? Sajnos az optikai tartományban működő csillagászati távcsövek nem tudnak "átlátni" a fekete lyuk körüli, egyre sűrűsödő gáz- és poranyagon, így csak rádiótávcsövekkel végezhetnek megfigyeléseket az ott működő folyamatokról. Az elmúlt évtizedekben a rádiócsillagászok egyre kisebb frekvenciákon végezték megfigyeléseiket, ami egyre jobb felbontást eredményezett (azaz egyre kisebb átmérőjű egyedi részletek váltak észlelhetővé).
Az új eredmények

30 évvel a fekete lyuk felfedezése után, a technika és az adatfeldolgozás fejlődésének köszönhetően sikerült véglegesíteni ezeket a méréseket. A kutatók a mérési eredményekből eltávolíthatták a por okozta "homályt", hogy tiszta képet kapjanak erről a különleges objektumról.

A megfigyelésekhez a VLBA (Very Long Baseline Array) rádiótávcső-hálózatot használták, amely jelenleg a legnagyobb felbontóképességű csillagászati megfigyelőrendszer. A VLBA 10 rádióteleszkópja kontinensnyi területen helyezkedik el, Hawaiitól a Karib-szigetekig.

Kiderült, hogy a Sagittarius A - amely tehát valójában a fekete lyuk körüli nagyon forró gáz- és porfelhő - egy mindössze földpálya nagyságú térben helyezkedik el. Ez az a terület, amely a legfontosabb információkkal szolgálhat magáról a fekete lyukról - amihez még soha nem jutottak ennyire közel -, és az új adatok segítségével a Tejútrendszer fejlődésébe is bepillantást nyerhetünk.

A csillagászok ma még nem tudják pontosan, hogy milyen folyamatok játszódnak le egy galaxis magjában. Ezek az első eset, hogy viszonylag pontos információt nyertek egy központi fekete lyuk és környezete méretéről. A következőkben az objektum szerkezetét és alakját szeretnék az eddigieknél pontosabban feltérképezni.

A mérésekből következtetve maga a fekete lyuk kb. 22,5 millió kilométer átmérőjű, ami a Merkúr Nap körüli pályának nagyságával vethető össze. Tömege körülbelül 4 millió Nap tömegével egyezik meg.

A Sagittarius A-t 1974 februárjában fedezték fel és mutatták ki róla, hogy a Tejútrendszer középpontjában helyezkedik el. 1999-ben sikerült pontosan meghatározni a Naprendszer keringési idejét a középpont körül, ami 226 millió évnek - azaz egy galaktikus évnek - adódott.

Csillagkeletkezést gátló fekete lyukak - a hét asztrofotója

Egy új felmérés szerint az elliptikus galaxisok centrumában lévő szuper-nagytömegű fekete lyukak akadályozzák a csillagok keletkezését.

Forrás: ESAFantáziarajz egy szuper-nagytömegű központi fekete lyuk környezetéről

Az elméleti megközelítések alapján a galaxisok centrumában lévő szuper-nagytömegű fekete lyukak gátolni, illetve csökkenteni képesek a csillagkeletkezést. Minerre azonban nem volt semmilyen észlelési bizonyíték, egészen mostanáig.

A NASA GALEX-műholdja a galaxisok fejlődését tanulmányozza. Több mint 800, viszonylag közeli, óriás elliptikus csillagvárost vizsgáltak vele, hogy kiderítsék, van-e kapcsolat az adott galaxis központi fekete lyukának tömege és a galaxisban megfigyelhető csillagkeletkezés intenzitása között. Az űrobszervatórium ultraibolya detektora igen érzékeny a nagytömegű és forró, fiatal csillagok sugárzására, ezért könnyen tanulmányozhatók vele az újszülött objektumok.

A statisztikai vizsgálat eredménye alapján létezik ilyen összefüggés, méghozzá fordított arányban: minél nagyobb egy elliptikus galaxis és benne a központi fekete lyuk tömege, annál kisebb annak a valószínűsége, hogy sok fiatal csillagot találunk a centrum közelében. A kutatás vezetője, Sukyoung K. Yi (Szöul Egyetem) szerint a jelenségre kétféle magyarázat lehetséges.

Az egyik szerint a fekete lyuk felé áramló anyag a központhoz közeledve felforrósodik, és annak erős sugárzása, valamint a hozzá párosuló anyagkiáramlás "elfújja" a csillagok születéséhez szükséges gáz jelentős részét a belső térségből. Ezért nem tudnak ott új égitestek kialakulni.

A másik lehetőség a csillagkeletkezés akadályozására ezzel részben ellentétes folyamat: elképzelhető, hogy a fekete lyuk sok gázt vonz magához, ami annyira felforrósodik, hogy abban már nem születhetnek új csillagok. Esetleg ugyanez a forró anyagtömeg sugárzásával is kihat a környező gázra, felforrósítva azt, megnehezítve az esetleges összezsugorodását. Nagy kérdés, hogy a fekete lyuk közelében működő folyamatok miként fejthetik ki hatásukat a galaxis távolabbi részeire.

A legutóbbi megfigyelések alapján a csillagkeletkezést mutató és nem mutató elliptikus galaxisok eloszlásának további érdekessége, hogy a központi fekete lyukak bizonyos tömeg elérése után képesek csak hatékonyan megakadályozni az újabb csillagok keletkezését. Ezt szemlélteti az alábbi sematikus diagram is.

Az eredmények grafikus szemléltetése (NASA/JPL-Caltech/Yonsei University/Tim Pyle (SSC))

A megfigyelt eloszlást apró, stilizált galaxisok mutatják, amelyek mérete a galaxis teljes tömegével, a centrumukban lévő fekete folt mérete pedig a központi fekete lyuk tömegével arányos. A kék szín jelzi a csillagkeletkezést mutató, a vöröses pedig az e nélküli elliptikus galaxisokat. Az eloszlás alapján egy bizonyos kritikus tömeg felett (jobbra fent) a központi fekete lyuk már gyakorlatilag teljesen meggátolja a csillagkeletkezést. A fehér vonal pedig azt jelzi, hogy a galaxis tömegétől függetlenül a központi fekete lyuknak el kell érnie egy bizonyos kritikus tömeget ahhoz, hogy a csillagkeletkezést hatékonyan akadályozza.

Fantáziarajz egy szuper-nagytömegű központi fekete lyukról. A középső kékes árnyalatú rész a kompakt objektum környezetéből kiáramló nagyenergiájú sugárzást jelzi. Az ezt övező sötét, gyűrűszerű alakzat egy hidegebb por- és gázanyagból álló tórusz. A kép nagyméretű változatának letöltése (NASA, JPL-Caltech)

A felmérés alapján tehát ha valaki sok fiatal csillagot akar találni, akkor nem érdemes a legnagyobb elliptikus csillagvárosokat tanulmányoznia - jobbak az esélyei, ha kisebb galaxisokat figyel meg. A jelenség révén elméletileg a központi fekete lyuk nem csak az egyes csillagok keletkezésére, hanem ezen keresztül egy teljes galaxis és az azt alkotó csillagpopulációk fejlődésére is hatással lehet.

Kereszturi Ákos

Újabb lépés az antianyag vizsgálatában

Több mint 30 éve vártak a fizikusok, hogy megfigyelhessék a semleges D-mezon antianyag párjának kialakulását, amikor Kaliforniában, a Stanford Lineáris Gyorsító Központban (SLAC) végre sikerült kísérletileg észlelni a jelenséget. A ritka átalakulás ismerete újabb lehetőséget teremt a részecskefizika átfogó elmélete, az úgynevezett standard modell ellenőrzésére.

A BaBar munkatársai, William Lockman, Ray Cowan és Brian Aagaard Petersen a SLAC-ban

A mezonok két elemi összetevőből, egy kvarkból és egy antikvarkból álló részecskék, ahol a kvarkokat a természet legerősebb kölcsönhatása köti egymáshoz. A természetben létező hatféle kvarkból és azok antikvark-párjából elvileg nagyon sokféle részecske rakható össze, de ezeknek nem mindegyike valósul meg, mivel a kombinációknak különféle fizikai törvényszerűségeket is ki kell elégíteniük. A mezonokból körülbelül 140 típus létezhet. A kétkvarkos mezonok mellett a három kvarkból álló részecskékből, a barionokból is számos létezik, közéjük tartozik az atommagok két alkotórésze, a proton és a neutron is.

A kilencvenes évek végén különleges, kifejezetten a kétkvarkos B-mezonok előállítására szolgáló részecskegyorsítókat építettek Japánban (Tsukubában) és az Egyesült Államokban (Stanfordban), ezeket szakmai zsargonnal B-gyáraknak (B factory-nak) nevezik. A B-gyárakban nagy energiákra felgyorsított elektronok és pozitronok ütközésénél keletkeznek a további kísérletek alapjául szolgáló B-mezonok. A stanfordi kísérlet neve "BaBar", mely az angol "B and B-bar" szókapcsolatból származik, s magyarul a "B és B-felülvonás", vagyis B és anti-B részecske kifejezésekkel helyettesítjük. (A csoport kabalafigurája természetesen Babar, a mesebeli elefánt.) A BaBar együttműködésben 10 ország 77 tudományos intézményének mintegy 600 kutatója vesz részt.

A B-gyárakat az ún. CP-sértés (azaz a töltés és a világmindenség anyagának alapkérdéseihez kapcsolódó tértükrözés sérüléseinek) tanulmányozására építették. A vizsgálatok segíthetnek annak megértésében, hogy az ősrobbanáskor egyenlő mennyiségben keletkezett anyagból és antianyagból hogyan alakult ki a ma csak anyagból álló világunk. Valamikor a világegyetem történetének nagyon korai szakaszában léphettek fel azok a fizikai hatások, amelyek megkülönböztették az anyagot és az antianyagot, és azokra eltérő módon hatottak.

A stanfordi B-gyárban a BaBar együttműködés kísérleteiben a B-mezonok mellett természetesen nagyon sokféle más részecske is keletkezik. Ezek egyike a semleges D-mezon. Antirészecske párjává történő átalakulása nagyon ritka esemény: több milliárd elektron-pozitron ütközés adatainak rögzítése során mindössze 500 D-mezon átalakulást figyeltek meg. A D-mezon mért átalakulási gyakoriságát most összevetik az elméleti számításokkal. A részecskefizika kísérleti tényeit eddig jól leíró elmélet tehát újabb vizsga előtt áll. Érdekes módon mind több fizikus reménykedik abban, hogy előbb-utóbb olyan tényre bukkan, amelyet már nem tud megmagyarázni, leírni ez az elmélet. S ekkor végre eljöhet a mait meghaladó "új fizika" korszaka.

Jéki László

Rejtélyes részecskét fedeztek fel

Az "rejtélyes mezon" néven említett részecske nem írható le az általánosan elfogadott elmélettel.

Először Japánban, a Cukubában működő nagyenergiás elektrongyorsító kutatóközpontban fedezték fel az új részecskét, majd az amerikai Fermi nemzeti laboratórium Tevatron gyorsítójánál végzett mérések erősítették meg létezését. A részecske egyelőre az X(3872) nevet viseli: az X az ismeretlen jellegre utal, a zárójelben levő szám pedig a részecske tömegét adja meg megaelektronvolt egységben. Ez a tömeg nagyon nagynak számít a részecskék világában, körülbelül egyetlen héliumatom tömegével egyenlő. Az új részecske instabil, mesterséges előállítása után a pillanat törtrészén belül elbomlik, más részecskékké alakul át. A mezonok két elemi összetevőből, két kvarkból felépülő részecskék. Az egy kvarkból és egy antikvarkból álló részecskében a kvarkokat a természet legerősebb kölcsönhatása köti egymáshoz. A természetben létező hatféle kvarkból és antikvark párjaikból elvileg nagyon sokféle részecske rakható össze, de ezek nem mindegyik valósul meg, mivel a kombinációknak különféle fizikai törvényszerűségeket is ki kell elégíteniük.  A kétkvarkos mezonok mellett a 3 kvarkból álló részecskék, a barionok is sokan vannak, közéjük tartozik az atommagok két alkotórésze, a proton és a neutron is. A közelmúltig az ismert részecskék tulajdonságait jól le lehetett írni egyetlen átfogó elmélet, az ún. Standard Modell keretében. A most megismert X(3872) mezon azonban nem kombinálható ki a szokásos módon az ismert kvarkokból. A megoldásra több lehetőség kínálkozik. Talán a kvarkokat összetartó erők elméletén kell változtatni, vagy ez az új részecske nem is kétkvarkos mezon, hanem egy 4 kvarkból felépült egység. Lehetséges, hogy két kvarkot és két antikvarkot tartalmaz. Ez az elvi lehetőség már korábban is felmerült egy másik rejtélyes részecske, a Ds(2317) felfedezésénél (lásd korábbi cikkünket). A négykvarkos (tetrakvark) részecskék felfedezése mellett már a pentakvark formáció, 5 kvarkból álló részecske nyomára is bukkantak kísérletekben. A Japánban, az USA-ban és Oroszországban más-más módszerrel végzett kísérletek egybehangzóan pentakvark formációra utalnak. Az is lehet, hogy nem egyetlen 5 kvarkból álló részcskére bukkantak, hanem egy 2 kvarkos mezon és egy 3 kvarkos barion kapcsolódott össze valamilyen "molekulaszerű" képződménnyé. Az erős kölcsönhatás elmélete, a kvantumszíndinamika nem zárja ki háromnál több kvarkból álló részecskék létezését sem. Jéki László

Szokatlan részecskét fedeztek fel

Az újonnan felfedezett részecske a mezonok családjába tartozik. Két összetevőből, egy nehéz bájos kvarkból és egy könnyebb ritka antikvarkból áll. Ám az is elképzelhető, hogy egy eddig sohasem tapasztalt összetételű, két kvarkpárból álló képződményre bukkantak.

1/3. oldal >>

Új részecskét fedeztek fel a fizikusok Kaliforniában, Stanfordban a SLAC (Stanford Linear Accelerator Center) nevű, "B-gyárnak" is nevezett részecskegyorsítójánál, a BaBar részecskedetektor adatainak feldolgozása során. A részecske egyelőre a nem túl izgalmas Ds(2317) nevet kapta. Létezése nem meglepetés, tulajdonságai azonban alaposan eltérnek a modellszámítások alapján várttól. Az új részecske a mezonok családjába tartozik, két összetevőből, egy nehéz bájos kvarkból és egy könnyebb ritka antikvarkból áll. Az is elképzelhető, hogy egy eddig sohasem tapasztalt összetételű, két kvarkpárból álló képződményre bukkantak.

A kvarkok családja

<< 2/3. oldal >>

Az 1960-as évek elején először elméletileg feltételezték, majd kísérletileg is igazolták, hogy az erős kölcsönhatásban résztvevő sokféle, eleminek nevezett részecske valójában nem is elemi, hanem alkotórészekből áll. Az összetevőket kvarknak nevezték el. (A kvark, angolban quark szónak nincs értelme. Az elsősorban az Ulysses c. regényéről ismert ír-angol James Joyce alkotta meg a szót, Finnegans Wake című, 1939-ben megjelent lefordíthatatlan regényében fordul elő. A később Nobel-díjjal is elismert Murray Gell-Mann amerikai fizikus azért választotta az először általa kigondolt részecskék elnevezésére, mert a tengerparti sirályok hangjára emlékeztette. Azóta a kvark a modern fizikában leggyakrabban használt szóvá vált.) Mai tudásunk szerint 6 féle kvark létezik, és mindegyiknek van egy antianyag, vagyis antikvark párja. Az egyik részecskecsalád tagjai 3 kvarkból állnak, közéjük tartozik az atommagot alkotó proton és a neutron, a másik részecskecsalád tagjai, a mezonok 2 kvarkból állnak. A kvarkok a le, föl, ritka, bájos, alsó és felső nevet kapták (up, down, strange, charmed, bottom, top, jelölésükre az angol név kezdőbetűjét használják). Egymástól néhány alapvető tulajdonságban, például elektromos töltésükben és tömegükben különböznek. A hat kvark-antikvark párból nagyon sokféle részecske állhat össze. Nem minden kombináció megengedett, néhány fizikai alapszabálynak teljesülnie kell, de az elképzelhető részecskék száma mindenképpen sok százra tehető. A BaBar A sok száz erősen kölcsönható részecske legtöbbje nem stabil, ezért nem is találjuk meg őket a természetben. Tanulmányozásukhoz elő kell állítani őket. Erre szolgálnak a részecskegyorsítók: ezekben a kellően nagy energiára felgyorsított részecskék végül egy céltárgynak vagy egy másik, szemberohanó részecskenyalábnak ütköznek. Az ütközés során rengeteg típusú hosszabb-rövidebb élettartamú részecske keletkezik. Kimutatásukra, azonosításukra, tulajdonságaik kimérésére hatalmas és bonyolult detektorokat használnak.

A B-gyár

<< 3/3. oldal

A stanfordi központban néhány éve működő új gyorsítóban felgyorsított elektronokat és pozitronokat ütköztetnek össze. A részecskegyorsítót úgy tervezték, hogy az ütközés során nagy számban keletkezzenek ún. B-mezonok, ezért nevezik a gyorsítót B-gyárnak. A mezonok azért viselik a B nevet, mert a bottom, vagyis b kvarkot tartalmazzák. A detektorrendszer BaBar neve is a b kvarkra, a B-mezonra utal. (A könnyebb megjegyezhetőség miatt adták a berendezésnek a közkedvelt elefánt mesefigura nevét. Néhány évtizede Brigitte Bardot-ra gondolva bizonyára az egyszerű BB név terjedt volna el.) A BaBar bonyolultsága és az általa szolgáltatott mérési adatok fantasztikus nagysága azon is lemérhető, hogy 75 kutatóintézmény több mint ötszáz tudósa és mérnöke dolgozik a BaBarral. A B-mezon-gyártás közben más részecskék sokasága is keletkezik. Ezek egyike a most felfedezett Ds(2317) - nevében a zárójelben levő szám a tömegét adja meg, megaelektronvolt egységekben. Három év mérési adatainak feldolgozásával a kutatók nagyon pontosan meg tudták határozni a tömeget és az lényegesen kevesebbnek bizonyult a vártnál. Az erős kölcsönhatással kapcsolatos ismeretek nagy része a könnyebb kvarkokból álló részecskék világából származik. Lehet, hogy a nehezeknél valami mást is figyelembe kell venni? E. Eichten elméleti fizikus úgy képzeli el a részecskét, mint egy atomot, ahol a könnyű ritka antikvark a nehezebb bájos kvark körül kering. J. Rosner arra gondol, hogy az új részecske egy korábban már elképzelt részecske első felbukkanása lenne. Eszerint az új részecske nem a megszokott két kvarkból, hanem 4 kvarkból áll. Először két-két kvark kapcsolódik egymással párba, majd a két pár egymáshoz kapcsolódik. Egyelőre nincs magyarázat a várttól eltérő tömegértékre és a merész feltételezések közt sem lehet dönteni. A kísérleti fizikusok további, korábbi mérési eredményeket rögzítő adathalmazokba ássák be magukat, hogy újabb, még pontosabb részleteket tárhassanak fel a váratlanul felbukkant részecskéről. Jéki László

A világ legnagyobb mágnese

Csaknem 2000 tonnás az az óriási mágnes, amely a genfi CERN-ben, a világ legnagyobb kutatóközpontjában szereltek fel.

A mágnes egészen pontosan 1920 tonnát nyom, annyit, mint négy Jumbo repülőgép. Magassága 16 méter, szélessége 17, hossza 13 méter. A közeli helyszínen gyártották, és külön erre a célra épített daruval helyezték el tíz óra alatt a földalatti kísérleti csarnokban úgy, hogy oldalt 20 centiméternyi távolság volt a falaktól (a műveletet megnézheti a fent elérhető videón).

A gigantikus mágnes a világ legnagyobb energiájú részecskegyorsítójának része, melyet idén helyeznek üzembe a részecskefizikai kutatóközpontban. A nagy hadron ütköztető (LHC) nevű gyorsítóban körülbelül 7 teravolt energiára gyorsítják fel a protonokat. Ez az energia 10^-23 kg tömegnek, a proton nyugalmi tömege 7000-szeresének felel meg.

Nagyon érdekes jelenség lehet, hogy ebben a berendezésben elméletileg már születhetnek apró fekete lyukak, ám a modellek szerint csak akkor, ha a tér nem háromdimenziós, hanem több dimenziója van. Ha tehát az LHC detektorai fekete lyuk megjelenését észlelik, akkor joggal gondolhatjuk, hogy sokdimenziós a tér. A fizikusok szerint egyébként nem kell tartanunk az esetleg megjelenő parányi fekete lyukaktól. Nem kezdik el magukba olvasztani környezetük anyagát, hanem azonnal elpárolognak, rengeteg részecskét szétsugározva megszűnnek létezni. Megfigyelésük egy új fizika kezdetét jelentheti.

[origo]

Megkezdődtek minden idők legnagyobb energiájú kísérletei

A Brookhaven Nemzeti Laboratórium (USA) kutatói megkezdték az arany-atommagok ütköztetését a világ legújabb és legnagyobb nehézion-gyorsítójában. A kísérletekről Miklos Gyulassy és Lévai Péter fizikusokat kérdeztük.

A kísérletek a relativisztikus nehézion ütköztetőben (Relativistic Heavy Ion Collider, RHIC) zajlanak. A berendezés különlegessége, hogy két gyorsítógyűrűből áll, amelyek mindegyikében a fénysebesség 99,995%-ára gyorsítják fel az arany-atommagokat, majd a gyűrűk találkozási pontjában ütköztetik őket. Az ütközés során keletkező részecskék záporát 4 rendkívül érzékeny detektor-komplexum észleli.

A kísérletek célja, hogy az ütközéskor kialakuló rendkívül magas hőmérsékleten és sűrűségen keletkező kvark-gluon plazma létezéséről és tulajdonságairól nyerjenek információkat. A kvark-gluon plazma az anyag speciális állapota, amely természetes körülmények között csak az Ősrobbanást követő igen rövid ideig, a másodperc néhány milliomod részéig létezett. Ez az "ősleves" kvarkokból, vagyis a barionokat (protonokat és neutronokat) felépítő részecskékből, illetve az őket összeragasztó gluonokból áll. A kísérletek során szerzett tapasztalatok a fizikusok szerint új fejezetet nyitnak a tudományban: segítségükkel az anyag tulajdonságainak alapvető kérdéseit tudjuk megválaszolni, miközben az Univerzum fejlődéséről alkotott képünk is tovább finomodik.

Hasonló kutatások már évek óta zajlanak. 2000 februárjában egy sajtókonferencia keretében a CERN gyorsító vezető kutatói összegeztek az elmúlt 10 év során elvégzett nehézion-kísérletek tudományos eredményeit. (Ezen eredmények megszületéséhez mintegy 10 magyar kísérleti fizikus is hozzájárult több éven keresztül végzett munkájával.) A nyilatkozatok szerint a detektorokban több, a kvark-gluon plazma megjelenésével is magyarázható jelet, un. plazma-szignatúrát sikerült rögzíteni. Az előadásokból világosan kiderült, hogy meddig jutott el a CERN nehézion programja és milyen eredményekre alapozva kezdheti meg munkáját a RHIC gyorsító 2000 nyarán.

Sokak szerint azonban csak az RHIC képes a kvark-gluon plazma "biztos" észlelésére, mivel ott a CERN-nél tízszer nagyobb energiákon (100 GeV/nukleon) zajlanak az események. A két projekt közti különbséget érzékeltetve Miklos Gyulassy, az RHIC programjában résztvevő magyar származású kutató a következő szemléletes hasonlattal állt elő:

"A CERN kísérletei nagyon érdekesek voltak, és sokat tanultunk a sűrű atommag fizikájáról. De olyan alacsony volt az energia, hogy csak a magma ajtajához jutottak. Bekopogtak a magma szobájába, hallottak ordibálást, éreztek az erejét, de szerintem nem volt elég erős a kopogás, és nem tudtak bejutni. Az RHIC esetében tízszer magasabb energiával betörünk a magma szobájába, és körül fogunk nézni. Igazan nem tudjuk, hogy mi vár ránk. Sok elméleti elképzelés létezik, de szerintem valami egészen újat fogunk tanulni a fizikai világról."

Lévai Péter elméleti fizikus (KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet), aki részt vett a CERN-ben folytatott nehézion-kísérletek eredményeinek elméleti analízisében, az [origo] érdeklődésére elmondta, hogy ennél azért több történt. A CERN-kísérletek hozzásegítettek ahhoz, hogy a 20 évvel ezelőtt, a kvark-gluon plazma kutatás kezdetekor felvetett elméletek ma már sokkal pontosabbak, és képesek vagyunk a kísérleti eredmények reprodukálására. Ez nagyon fontos a CERN-kísérletek eredményeinek megértésében, s egyúttal megbízható alapot szolgáltatnak a RHIC várható eredményeinek helyes értelmezéséhez.

Az RHIC-ben folytatott kísérletek minden bizonnyal a kvark-gluon plazma tulajdonságainak - hőmérséklet, energia- és részecskesűrűség, entrópia - részletes tanulmányozását teszik lehetővé. Az eredményekből olyan dolgokra következtethetünk, mint például a bennünket is felépítő közönséges részecskék - protonok, neutronok - eredetének kérdése, vagy az Univerzum korai fejlődésének története.

Az RHIC alagútjában a két gyorsítógyűrűi átmérője 3,84 km, és 1 740 szupravezető mágnes végzi az arany-atommagok körpályán tartását. Az egymással szemben mozgó atommagok ütközésekor a másodperc törtrészére akkora energia koncentrálódik egy atommagnyi térrészbe, hogy a hőmérséklet eléri a Nap magjában uralkodó érték (15 millió fok) ezerszeresét. Ez elég ahhoz, hogy az atommagokat felépítő részecskék - protonok és neutronok - alkotóelemeikre essenek szét, s 1/100 000 000 000 000 000 000 000 másodpercig szabad kvarkok és gluonok létezzenek. A detektorok másodpercenként egy ütközés hatásait vizsgálják, s a keletkező közel 10 000 részecske érzékelésére és adataik feldolgozására képesek. A kísérletek egész nyáron folynak, s a legkorábbi eredmények 2001 elején várhatók, az előreláthatóan 10 éves program első fejezeteként.

Lévai Péter elmondta, hogy amit az RHIC-ben tapasztalnak, azt 2007-ben a CERN LHC (Large Hadronic Collider) gyorsítójában még magasabb energiákon újra megvizsgálhatják. Magyarország a CERN-együttműködés tagja, és jelenleg is sok magyar kísérleti fizikus dolgozik azon, hogy az LHC detektorai 2007-re elkészüljenek. Ugyanakkor több magyar fizikus részt vesz - főként elméleti oldalról - a RHIC mellett folyó munkában.

Ezek egyike Miklos Gyulassy magyar származású fizikus, a New York-i Columbia Egyetem Elméleti Fizika Tanszékének professzora, aki tanácsadó professzor a brookhaveni RIKEN magfizikai kutatóközpontban. Az RHIC-programban dolgozik Dávid Gábor magyar származású kísérleti fizikus is, a PHOENIX detektor vezető konstruktőre.

Fekete lyukak, különcök, világvége
Veszélyesek-e ezek a kísérletek, amelyek az Univerzum legmélyebb titkaiba engednek bepillantást? Mint arról korábban beszámoltunk, előbb apró fekete lyukak, majd az ún. "különcök" keletkezésétől tartott a tudóstársadalom egy része, s aggodalmuk a közvéleményre is átragadt.

Stephen Hawking, korunk egyik legjelentősebb fizikusa egyik elméletében feltételezte, hogy mikroszkopikus méretű fekete lyukak keletkezhettek az Univerzum kialakulása során. Hogyan viselkedne egy mikroszkopikus fekete lyuk? Miután ezek az objektumok forrók (ellentétben a csillagfejlődés során keletkező "hideg", nagyméretű társaikkal), elnyelnek ugyan anyagot, de intenzíven sugároznak. Így rövid időn belül az összes elnyelt energiát kisugározva "halk pukkanással" eltűnnek. Néhány tudós úgy gondolta, hogy ha mesterségesen, laboratóriumi körülmények között adnánk életet egy ilyen objektumnak, az rohamosan növekedne, bekebelezve mindent és mindenkit, ami az útjába kerül. Hogy ez mégsem igaz, annak ékes bizonyítéka a hozzánk legközelebbi égitest, vagyis a Hold létezése, amelynek felszínét folyamatosan bombázzák az óriási energiájú kozmikus sugarak. Ezekhez képest a legnagyobb gyorsítók energiái is eltörpülnek. Ha ilyen mikroszkopikus méretű fekete lyukak valóban keletkezhetnének, akkor már régen megjelentek volna, s nem létezne se Hold, se Föld, se Naprendszer.

A brookhaveni kísérlet híre újra kiváltotta a fekete lyukak iránti érdeklődést, majd a rémhírek villámgyorsan elterjedtek az interneten, a nyomtatott sajtóban és a hagyományos média más területein is. Az általános őrület közepette a fizikusok összeszedték magukat, s szerte a világon figyelmeztettek rá, hogy a fekete lyukak keletkezéséhez fűzött félelmek megalapozatlanak.

Egyes kutatók azonban egy másik veszélyforrásra is felhívták a figyelmet. Szerintük az ütközések miatt az anyag eddig ismeretlen formája jöhet létre, amely egyesítheti magában az ún. kvarkok három típusát: a fel-, le- és az s-kvarkokat. Az előbbi két kvark az atommagban található protonok és neutronok szokványos építőkockája, az s-kvark azonban igen ritka jelenség az Univerzumban, s csak igen rövid életidejű, különleges részecskékben fordul elő. A feltételezett új anyag darabjai "különcök" (vagy "kvark-rögök") néven váltak ismertté.

A fizikusok azonban 15 éve keresik az anyag ezen új formáját - éppen a brookhaveni gyorsítóban -, és eddig a legalaposabb mérésekkel sem akadtak a nyomára. A legszörnyűbb forgatókönyv szerint a különcök hosszú életidejű, negatív töltésű változatai jönnének létre, amelyek magukba olvasztanák azokat az atommagokat, amelyekkel kölcsönhatásba kerülnének (az atommag a protonok miatt pozitív töltésű). E hipotetikus különcök létezése azonban éppúgy veszélyeztettek volna égi kísérőnket, mint a fekete lyukak.

A várható haszon

Nos, az RHIC kísérletei a sok hűhó után végre 2000. június 10-én megkezdődtek, s mivel egyelőre életben vagyunk, nagyon nagy dráma még nem történhetett. Ha keletkeztek is fekete lyukak vagy "különcök", egyelőre nem hallatnak magukról.

"Nem lett világvége, de nem is vártam ilyesmit" - írta az [origo]-nak Gyulassy professzor. "Az emberek már évezredek óta várják a világvégét, s mintegy 5 milliárd éve, amikor a Nap kifogy az "üzemanyagából", ez valóban bekövetkezik. Addig azonban élvezhetjük a rettenetesen érdekes matematikai és fizikai felfedezéseket. Az RHIC "masinával" most egy egészen új irány nyílik ki számunkra, s mindenki nagyon örül, hogy elkezdődtek a kísérletek. Visszacsavarjuk az időt 15 milliárd évvel és az ősanyaggal találkozunk. Ez egy nagyon érdekes anyag, de nem kell félni tőle!"

Lévai Péter, aki CERN-ben folyó munkában elméleti oldalról vesz részt, illetve dolgozott Brookhavenben is, a kísérletek várható hasznáról elmondta, hogy ezek mind elméleti, mind gyakorlati téren igen jelentősek lehetnek. Az RHIC berendezései a mai technika egyik csúcspontját jelentik, s a kísérleti lehetőségek mai maximumát nyújtják. Sokat tanulhatunk a korai Univerzum fejlődéséről - az Ősrobbanást követő 1 millimod másodpercig hatolva vissza az időben -, illetve a részecskefizika standard modelljének tesztelése is lehetségessé válik. Új, kollektív jelenségeket fedezhetünk fel, miközben az anyag szélsőséges állapotban való viselkedését tanulmányozzuk.
A gyakorlati haszon is ígéretes: a kísérletek megvalósítása olyan technikai kihívást jelent - például az adatfeldolgozási és adatkezelési eljárások terén - amelynek tapasztalatait az űrkutatástól az orvosdiagnosztikáig számos területen tudjuk majd hasznosítani. "Az RHIC most átvette a stafétabotot a CERN-től, de 2007-ben visszaadja neki, hogy az LHC-vel folytassuk az anyag mikroszerkezetének kutatását" - mondta a kutató.

A Természet Világa Mikrokozmosz című, várhatóan szeptemberben megjelenő különszámában számos érdekes cikk lesz olvasható a fenti témákról.

Ajánló:

A CERN-ben lefolytatott kísérletek eredményei. A kísérletek megkezdéséről hírt adó sajtóanyag, a detektorok első észleléseivel.

Korábban:

2000. január 7. A brookhaveni kísérletekben mégsem keletkezhetnek fekete lyukak. Helyettük azonban az anyagnak egy eddig ismeretlen, roppant veszélyes változata jöhet létre, az ún. "különcök" formájában. A fizikusok szerint azonban ennek igen csekély a valószínűsége, s még ekkor sem jelent fenyegetést. 2000. február 10. A CERN tudósai olyan fizikai körülményeket idéztek elő kísérleteik során, amilyenek közvetlenül az Univerzum születése, az ősrobbanás után uralkodhattak. A részecskegyorsítóban létrejött a kvark-gluon plazma nevű anyag, amely 15 milliárd év után először létezett ismét a Világegyetemben.

[origo]