A kutatást kilenc különböző országból származó 17 tudós tette közzé két tanulmányban – az eredmények nem csak működőnek látszó teóriát nyújtanak a sötét anyag eredetéről, de újradefiniálhatják azt is, amit a fekete lyukakról eddig gondoltunk – számol be róla a sajtóközlemény.

Kezdjük az elején: mi az a sötét anyag? Az 1990-es években fedezték fel, hogy az univerzum tágulásának a sebessége gyorsul – magyarán a dolgok nem csak távolodnak egymástól, de ezt egyre gyorsabban teszik. Ez nem kevés fejtörést okozott és okoz, mivel az objektumok közötti gravitációs vonzás miatt elvileg éppen, hogy lassulnia kellene ennek a tágulásnak. Hacsak nem veszünk valamit észre. Ez a valami tehát a feltételezett „sötét energia”, amely erősebben távolítja el egymástól a dolgokat, mint ahogy a gravitáció egymáshoz vonzaná őket. Mindez Einstein koncepciójára vezethető vissza (amit akkor egyébként elvetettek) – a gravitáció ellenében ható kozmológiai állandóra, amely lényegében ellene hat annak, hogy az univerzum a gravitáció miatt önmagába omoljon.

Amikor az említett gyorsulást felfedezték, akkor leporolták a fenti teóriát is, és arra jutottak, hogy ennek az alapeleme egy olyanfajta energia, amely magába a téridőbe van ágyazva – ez a vákuum energia. Ez az energia az tehát, amely egyre inkább ellöki egymástól a dolgokat, és emiatt gyorsul az univerzum tágulása. A lenti cikkben mindezt egy jól érthető, szemléletes példával mutatják be:

Egyetlen perc alatt megérhetjük, hogy mi az a sötét anyag Általános iskolás fizikai ismeretekre és egyetlen percre van szükségünk ahhoz, hogy a látszólag komplex jelenség, a sötét anyag alapjait megértsük.

Mindez elméleti szempontból csinosan fest, azonban akadt egy probléma, méghozzá éppen a fekete lyukak. Ezeknek ugyanis olyan brutális erős a gravitációs vonzásuk, hogy nehéz nekik ellentartani – különösen igaz ez a fekete lyukak centrumára, ahol minden szétesik a gravitáció hatására a „szingularitás” elnevezésű jelenség során. Ha pedig már itt tartunk, térjünk kicsit ki a fekete lyukakra!

A fekete lyuk akkor alakul ki, amikor egy hatalmas tömegű csillag az életútja végére ér – a leghatalmasabb fekete lyukak (supermassive black hole) pedig a galaxisok közepén találhatóak. Ezek tényleg hihetetlen sűrű objektumok – a Napunk tömegének a sok milliószorosával, sőt akár sok milliárdszorosával rendelkeznek – mindez azonban relatíve kicsiny térben sűrűsödik össze. Ezen objektumok gravitációs ereje tehát elképesztő. A fekete lyukak tömege pedig még növekedhet is, ahogy a lyuk mind több anyagot nyel el, vagy összeolvad egy másik lyukkal. A kérdés pedig, ami a sötét energiával összefügg (mindjárt meglátjuk, miért), hogy:

Biztosan csak az előbbi két jelenség állhat a fekete lyukak növekedésének a hátterében?

A mostani kutatás alapvetően tehát ezt a kérdést kívánta tisztázni, és ennek érdekében az univerzum kilencmilliárd évét felölelő adatot néztek át. A kutatók az óriás elliptikus galaxisoknak nevezett galaxisok egy bizonyos típusát vizsgálták meg, amely a világegyetem korai szakaszában fejlődtek ki, majd úgynevezett alvó galaxisokká váltak. Az alvó galaxisokban már nem képződnek többé csillagok, így a közepükön található fekete lyuk már nem tud további anyagot elnyelni. Magyarán az ilyen fekete lyukak esetleges további növekedése nem magyarázható pusztán azzal, hogy anyagot nyel el, mert ilyen anyag ezekben a galaxisokban már nem fordul elő.

A kutatók ezután megvizsgálták miként festenek a távoli még fiatal (illetve nekünk annak látszó) galaxisok a hozzánk közeli, „lokális” alvó galaxisokhoz képest. Az adatokból pedig az látható, hogy ez utóbbiak esetén a fekete lyukak növekedése jóval nagyobb, mint amit a fenti két folyamat (anyagelnyelés, egyesülés) magyarázni tud – konkrétan az alvó galaxisok fekete lyukai 7-20-szor nagyobbak, mint a fiatal galaxisokéi. De akkor milyen hatás felelős a lyukak extra növekedéséért?

A kutatók ezután további galaxisokat is megvizsgáltak az univerzum evolúciójának különböző szakaszaiban, és ezek erős összefüggést mutatnak az univerzum mérete (tágultsága) és a fekete lyukak tömege közt.

Mindez tehát az első megfigyeléses bizonyíték arra vonatkozóan, hogy a fekete lyukak valóban tartalmaznak vákuumenergiát, és hogy „kapcsolódnak” az univerzum tágulásához, mivel a tömegük az univerzum tágulásával növekszik – ezt a jelenséget pedig „kozmológiai csatolásnak” (cosmological coupling) nevezik. Ha mindezt a további megfigyelések megerősítik, a kozmológiai csatolás újradefiniálhatja a fekete lyuk fogalmát. Ezen felül azonban a megfigyelés arra is bizonyítékot szolgáltat, hogy az univerzumban mért sötét energia mennyisége a fekete lyuk vákuumenergiájával magyarázható, mivel a fekete lyukak tömegének gyarapodása alapján ezek az objektumok vákuumenergiát tartalmaznak, vagyis ők biztosítják a sötét energiát, és így nem kell csillagokat elnyelniük a tömegük növeléséhez.

Miként az egyik kutató fogalmazott:

„Ha igaz ez a teória, akkor ez az egész kozmológiát forradalmasítani fogja, mert végre van magyarázatunk a sötét energia eredetére, amely már több mint 20 éve zavarba ejti a kozmológusokat és az elméleti fizikusokat.”

A kutatásban résztvevő egy másik tudós pedig ezt fűzi hozzá ezekhez az eredményekhez:

„Valójában két dolgot mondunk egyszerre: bizonyíték van arra, hogy a fekete lyukak (működésének) a tipikus magyarázatai nem működnek hosszú-hosszú időtávon, és megvan az első javasolt asztrofizikai forrás is a sötét energia számára. Ez azonban nem azt jelenti, hogy mások nem javasoltak forrásokat a sötét energia számára, de ez az első olyan megfigyelésen alapuló tanulmány, amelyben semmi újat nem adunk hozzá az univerzumhoz, mint a sötét energia forrásához: (ezek alapján tehát) a fekete lyukak Einstein gravitációs elméletében maga a sötét energia.”

(Kép: wikimedia.commons/https://noirlab.edu/public/images/noirlab2015a, CC BY 4.0)