Mindannyian hallottunk már a fekete lyukakról. A fekete lyukak olyan csillagászati objektumok, amelyek olyan erős gravitációs vonzással rendelkeznek, hogy semmi, még a fény sem képes elmenekülni belőlük. A fekete lyukak „felszínét” eseményhorizontnak nevezzük. Az eseményhorizont az a határvonal, amin túl a szükséges sebesség ahhoz, hogy bármi is kijusson a fekete lyukból megkellene, hogy haladja a fénysebességet, ami a világegyetem sebességhatára. Az anyag és a sugárzás bejut, de nem tud kijutni.
A fekete lyukakat méretük alapján osztályokba sorolják; ezek közül eddig két fő típust figyeltek meg alaposan. Az egyik a csillagtömegű fekete lyukak, amelyek a Nap tömegének hatszorosától akár több tucatszorosáig terjedhetnek, és a Tejútrendszerben szétszórva találhatók. A másik a szupermasszív „szörnyek”, amelyek 100 000-től akár milliárdnyi naptömeggel is rendelkezhetnek, és a legtöbb nagy galaxis középpontjában megtalálhatók, beleértve a Tejútrendszet is, aminek magjában található szupermasszív fekete lyukat Sagittarius A-nak neveztek el a tudósok.
Egy csillagtömegű fekete lyuk akkor alakul ki, amikor egy 20 naptömegnél nagyobb csillag kimeríti magjában a nukleáris üzemanyagot, és saját súlya alatt összeomlik. Az összeomlás szupernóva-robbanást idéz elő, amely lerobbantja a csillag külső rétegeit. Azonban, ha az összeroppant mag több mint háromszorosa a Nap tömegének, akkor nincs olyan ismert erő, amely megállíthatná a fekete lyukká való összeomlást. A szupermasszív fekete lyukak eredete mindeddig nem jól ismert, de az tudható, hogy már a galaxisok élete legkorábbi szakaszaiban léteztek. Egy fekete lyuk úgy tud növekedni, hogy elnyelik a körülöttük lévő anyagot; beleértve más fekete lyukakat is.
A csillagászok ugyanakkor régóta gyanították, hogy létezik egy köztes osztály, amit közepes tömegű fekete lyukaknak neveznek, ezek tömege 100-tól több mint 10 000 naptömegig terjedhet. Ilyet először 2019. május 21-én fedezték fel. két csillagméretű fekete lyuk összeolvadása során. Ez az esemény egy 142 naptömegű fekete lyuk létrejöttével végződött. A felfedezés a Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, rövidítve LIGO segítségével történt. A LIGO, ahogyan a nevében is benne van, a gravitációs hullámok érzékelésére fejlesztettek ki. Mi is az a gravitációs hullám, hogy hogyan működik a LIGO?
Gravitációs hullám egy különleges jelenség. A mozgó testek, minden mozgó test, mi magunk is, amikor mozgást végzünk apró fodrozódásokat keltünk a téridő szövetén. Ez a mi szemszögünkből a gravitációs mező ingadozásaként jelenik meg, amit a tér és az idő hullámszerűn terjedő megnyúlásaként és megrövidüléseként tudunk azonosítani. Hasonlóan, mint amikor egy hajó halad a vízen, és a haladásával hullámokat kelt maga körül, amely hullámokból a parton következtethetünk az elhaladó hajóra. Ám ezek a hullámok egyrészt fénysebességgel terjednek, másrészt annyira aprók, hogy elképesztően nagy mozgó tömegre van szükség ahhoz, hogy mérhetők legyenek. Ehhez két fekete lyuk egymásba olvadása keltette hullámokra van szükség.
Ezeknek a hullámoknak detektálására építették meg a LIGO-t, ami valójában két összetartozó megfigyelőállomás. Az egyik állomás az Egyesült Államokbeli Louisiana államban lévő Livingstonban, a másik Washington állambeli Hanfordban található. Mindkét állomás legjellegzetesebb része a derékszögben kinyújtózkodó 4-4km hosszúságú alagút. Ezekben teljes vákuumot hoznak létre és lézernyalábot vezetnek keresztül egy időben. Miközben a lézerfény utazik, áthalad egy speciális tükörrendszeren, ami segít pontosítani a mérést. Egy-egy lézernyaláb 280-szor járja meg oda és vissza a 4km-es utat. Útjuk végén a két nyaláb interferál egymással, vagyis ütköztetik őket. Normál esetben a két nyaláb kioltja egymást, így nem ér el fény a detektorhoz. Mikor gravitációs hullám halad át a LIGO-n, akkor az egyik kar nagyon kis mértékben meghosszabbodhat, a másik pedig lerövidülhet, ahogy a téridő enyhén megnyúlik, vagy lerövidül. Ez pedig fáziseltolódást eredményez, így a fénynyalábok nem oltják ki egymást, így az interferencia változása érzékelhetővé válik. Több mérőállomásra a mérések pontosságának növelése miatt van szükség.
Eddig minden, a világűrről szerzett ismeretünket úgy szereztük, hogy akár hagyományos távcsövekkel, akár rádióteleszkópokkal, akár űrtávcsövekkel pásztáztuk az eget, hogy „néztünk”. Vagyis a hozzánk eljutott fény hullámhosszából következtettünk arra, hogy mi zajlik, vagy zajlott a messze távolban. A gravitációs hullámokkal olyan jelenségek is megfigyelhetőkké válnak, amik az eddigi módszerekkel érzékelhetetlenek voltak számunkra. Ma már nem csak „láthatjuk”, de „hallhatjuk” is az univerzumot. A gravitációs hullámok ugyanis számunkra hangokként fordíthatók le.
Szász Péter