Új felfedezést tettek angol kutatók a fekete lyukakról

A Sussex Egyetem fizikusai fontos lépést tettek a fekete lyukak kutatásában. Kvantumgravitációs korrekciókat számoltak a fekete lyukak entrópiájához, amikor érdekes jelenségre bukkantak. Az 1970-es évek óta a fizikusok próbálnak elméleteket kidolgozni a kvantumgravitációra és alkalmazni ezeket az eseményhorizont fizikájára. A legutóbbi kísérlet Xavier Calmet. és Folkert Kuipers párosnak szeptember 9-én a Physical Review D. magazinban publikált tanulmánya.

Amikor a tudósok először megerősítették a fekete lyukak létezését az 1970-es években, azt gondolták, hogy nagyon egyszerű, inert testek. Aztán Hawking felfedezte, hogy a fekete lyukak nem éppen feketék és valójában hőt bocsátanak ki. És most egy fizikus pár rájött, hogy a fekete lyukak nyomást gyakorolnak környezetükre.

Xavier Calmet az angliai Sussex Egyetem fizika professzora és diákja Folkert Kuipers fekete lyukak eseményhorizontja közelében lévő kvantumhatásokat vizsgálta, valamit, amit irtózatosan nehéz rögzíteni, mikor észrevették, hogy egy furcsa matematikai kifejezés bukkant fel az egyenleteikben. A kifejezés először teljesen zavarba ejtette őket – nem tudták, mit jelent vagy hogy magyarázzák.

Hogy megbirkózzanak vele, az effektív térelméletet használták, és hónapok múlva rájöttek, ez a fekete lyuk által produkált nyomás egy kifejezése volt.

Korábban senki sem tudta, hogy ez lehetséges, és ez megváltoztatja a tudósok fekete lyukakról való gondolkodásmódját. és viszonyukat az univerzum többi részéhez. 

A nyomás szinte abszurd kicsi, mint 1054 – szer kisebb, mint a standard légnyomás a Földön. De ott van. Azt is találták, hogy a nyomás lehet pozitív és negatív is, fekete lyuk közelében lévő kvantum részecskék különleges keverékétől függően. Eredményeik kiterjednek a fekete lyuk fogalmára, mint olyan termodinamikai entitások, aminek nem csak hőmérséklete és entrópiája van, hanem nyomása is.

Az 1970-es években Stephen Hawking volt az egyik első fizikus, aki alkalmazta a kvantumfizikát, hogy megpróbálja megérteni, mi történik az eseményhorizontnál. E munkát megelőzően mindenki csak feltételezte, hogy a fekete lyukak egyszerű objektumok. Az általános relativitáselmélet szerint, mely először sugallta, hogy a fekete lyukak létezhetnek, nincs semmi figyelemreméltó az eseményhorizont körül. Hawking mindent megváltoztatott. Rájött, hogy a kvantumhab – részecskék sokasága, melyek ki-be ugrálnak a létezésben a téridő vákuumában – hatással lehet az eseményhorizont leegyszerűsített nézetére. Időnként részecskepárok jelennek meg spontán a téridő üres vákuumából, aztán egy energiavillanásban annihilálják egymást, visszatérvén a vákuumba eredeti állapotukhoz. De amikor ez egy fekete lyukhoz túl közel történik, a pár egyik tagja csapdába eshet az eseményhorizont mögött és a másik megmenekül. A fekete lyuk benyújtja az energia számlát a megmenekült részecskének, így annak tömeget kell veszítenie. Ez a folyamat a Hawking sugárzás és ezeken keresztül fedezték fel, hogy a fekete lyukak nem teljesen, 100%-osan feketék. Kicsit ragyognak. Ez a ragyogás az úgynevezett feketetest sugárzás, azt jelenti, hogy van hőjük és entrópiájuk és az összes többi kifejezés amit rendszeresen alkalmazunk a sokkal több szokványos objektumokra mint a hűtőszekrény és autómotorok.

Hawking arra fókuszált, hogy a kvantummechanika milyen hatással van egy fekete lyuk környékére. A kvantummechanika nem tartalmazza a gravitációs erőt, és az eseményhorizontok közelében történő események teljes leírásának tartalmaznia kell a kvantumgravitációt, vagy azt, hogy milyen erős gravitáció működik az icipici skálákon.

„Bár a fekete lyuk által kifejtett nyomás, amit tanulmányoztunk kicsi, a tény hogy jelen van több új lehetőséget nyit fel, átfogván az asztrofizika, részecskefizika és kvantumfizika tudományát” – mondja Xavier Calmet.

„Hawking intuíciója fordulópont volt, hogy a fekete lyukak nem feketék, hanem sugárzási spektrumuk van, ami nagyon hasonló a fekete testekéhez/testekhez, a fekete lyukakat ideális laboratóriummá tette kvantumdinamika és a kvantummechanika, gravitáció ás termodinamika közti kölcsönhatások vizsgálatához” – mondta Calmet.

A teljes kvantumgravitáció teória hiányában a duó az effektív térelmélet megközelítő technikát használta. Ez a teória azt feltételezi, hogy kvantum szinten a gravitáció gyenge – egy feltételezés, ami lehetővé teszi a számításokkal haladjanak anélkül, hogy minden szétesne, amikor a gravitációt a kvantumrendszerben extra erősnek modellezik. Bár ezek a számítások nem fogják feltárni az eseményhorizont teljes képét, bepillantást nyújthatnak a fekete lyuk körül és a fekete lyukba.

Ha a fekete lyukat csak az általános relativitáselméleten belül nézzük, megmutatható, hogy szingularitás van a közepükben, ahol az általunk ismert fizikai örvények összeomlanak. Remélhetőleg, amikor a kvantum térelméletet és az általános relativitáselméletet egyesítjük képesek lehetünk a fekete lyukak egy új leírását felfedezni – mondta Calmet.

Mivel a munkájuk csak a gyenge kvantumgravitációt modellezte és negligálta az erős gravitációt, nem tudja megmagyarázni teljesen a fekete lyuk viselkedését, de fontos lépés.

(origo.hu)