A fekete lyukak az egyik legizgalmasabb objektumok az asztrofizikában, sokak fantáziáját megmozgatják a legkisebb gyerekektől a laikusokon át a legnagyszerűbb kutatókig. De honnét ered a kifejezés?
A fekete lyuk kifejezés legkorábbi ismert írásos előfordulása a 2010-ben elhunyt Ann Ewing 1964. január 18-i cikke, ami “Fekete lyukak az űrben” (Black Holes in Space) címmel jelent meg a Science News Letter c. folyóiratban. (Ez a lap ma rövidített nevén, Science News (Tudományos Hírek) jelenik meg. Ann Ewing nem összetévesztendő a második Dallas-sorozat egyik szereplőjével.) Ewing úgy emlékezett, hogy a Tudományos Haladásért Amerikai Társaság (American Association for the Advancement of Science, AAAS, alapítva 1848-ban) egyik 1964. januárjában Clevelandban tartott ülésén hallotta a kifejezést az egyik asztrofizikus résztvevőtől, de sem akkor, sem később nem tudott visszaemlékezni, melyik résztvevőtől.
Ugyanazon év január 24-én az akkoriban híres Life magazin is használta a fekete lyuk (angolul: black hole) kifejezést, de egy másik, 1963. decemberében Dallasban tartott asztrofizikai konferenciáról tudósítva. John Archibald Wheeler (1911-2008) részt vett ezen a konferencián, de tagadta, hogy ő a fekete lyuk elnevezést használta volna ott és akkor. Valaki más volt, de utólag sem sikerült azonosítani, melyik résztvevő mondta először. Csak annyi derült ki, hogy Hong-Yiu Chiu (1932-), a dallas-i konferencia szervezője említette a fekete lyuk szóösszetételt Virginia Trimble-nek (1943-). Chiu viszont elmondta Trimble-nek, hogy nem ő találta ki a kifejezést, hanem 1960-1961 körül hallotta Robert Dicke-től (1916-1997), aki a csillagok gravitációs összeomlásával foglalkozott. Szerinte Dicke azt mondta, hogy a végeredmény olyan, mint “Kalkutta Fekete Lyukja”.
1756. június 20-án Kalkuttában az angol hódítók és az indiai védők közötti összecsapásban sok angolt elfogtak és börtönbe zártak, ahol közülük rengetegen meghaltak. Az 5,5×4 méteres börtönterem mindössze két nagyon apró, lyukszerű ablakkal bírt, ezért a helyiek a “Fekete Lyuk” elnevezést adták neki. A 146 fogolyból mindössze 23-an éltek túl (más források szerint csak 64 fogoly volt eredetileg és 21-en éltek túl, ami hihetőbb a börtönterem kis méreteihez képest). Dicke nyilvánvalóan azt akarta kifejezni, hogy nagyon sok minden belemegy az összeomló csillag magjába, és alig jön ki onnét valami, szinte semmi vagy egyáltalán semmi. Dicke életrajzírói szerint, ha valami eltűnt a saját házában, akkor kedvelt szavajárása szerint annyit mondott csak, hogy “elnyelte Kalkutta fekete lyukja”. Sokan ezért valószínűnek tartják, hogy a kifejezés Dicke-től származik. Dicke egyébként sokat emlegetett asztrofizikus Timothy Ferris (1944-) nagyszerű, olvasmányos, egyben világsikerű könyvében, A Vörös határban – ami kötelező olvasmány minden komoly csillagászat iránt érdeklődőnek és amatőrcsillagásznak -, mert jelentős szerepe volt a gravitáció és a Világegyetem keletkezésének, fejlődésének kutatásában.
Ha ez tényleg így történt, akkor a fekete lyuk asztrofizikai-csillagászati szakkifejezés egy 18. századi indiai börtön és a gyarmatosítás emlékét őrzi. Méltóan csúnya eredet ahhoz a fizikai tulajdonsághoz, hogy aki beleesik, az élve, vagy a tárgyak épségben onnét ugyan nem jönnek ki…
A fekete lyuk kifejezés nem ment át ekkor még sem a tudományos életbe, sem a köztudatba. A csodálatos, ingyenesen kereshető Asztrofizikai Adatok Rendszerében (Astrophysical Data System, ADS) a mai nappal bezárólag (2018. márc. 3.) 41 ezer 158 db olyan csillagászati cikk található, amelyek címében tartalmazzák a “black hole” kifejezést. A legkorábbi 1884-ből származik, amikor Edward Emerson Barnard (1857-1923) egy sötétködöt írt le az Astronomische Nachrichten című, ma is létező szaklapban. A Barnard által használt fekete lyuk kifejezés azonban csak egy ritkás részt jelöl a Tejútban, ahol az általa használt távcsövek csillagtalan, üres területet mutattak sűrű csillagmezővel körülvéve. Ma már tudjuk, hogy ezek ún. sötétködök, vagyis nagyon hideg és sűrű hidrogén- és porködök, amelyek egyszerűen nem eresztik át a mögöttük lévő csillagok fényét optikai tartományban (legfeljebb csak infravörösben). Az egyik leghíresebb példa a sötétködökre a Barnard 33 objektum (vagy más nevén a Lófej-köd). Hasonló értelemben használták a “fekete lyuk” kifejezést sötétködökre további két alkalommal 1929-ben és 1931-ben, egyébként Ann Ewing 1964-es ismeretterjesztő cikkéig nem fordult elő a szaklapokban ismét.
Wheeler neves elméleti fizikus, kvantumfizikus volt, tanítványai közül R. P. Feynmann (1918-1988) a kvantumelektrodinamika megalapozásáért 1965-ben, Kip Thorne (1940-) pedig a gravitációs hullámok észleléséért 2017-ben elnyerte a fizikai Nobel-díjat. Wheeler 1967. decemberében New Yorkban tartott egy előadást, amiben megemlítette, hogy létezhet valami olyasmi égitest, ami mindent elnyel, de semmit nem bocsát ki, és még a fény sem szökhet el róla. Wheeler emlékei szerint a hallgatóság nagyon belefáradt, hogy az ilyen, akkor még hipotetikusnak számító égitestet állandóan “gravitációsan teljesen összeomlott objektum”-nak hívta előadásában újra meg újra. A hallgatóságból egy ismeretlen közbeszólt: “nem lehetne e hosszú név helyett inkább fekete lyuknak nevezni az ilyet”? Wheeler egyetértett, elkezdte használni és terjeszteni a kifejezést. A közvélekedés szerint ő találta ki a kifejezést, ami tehát láthatóan nem igaz és ő is mindig elmondta, hogyan hallotta a kifejezést mástól. De feltétlenül övé az elévülhetetlen érdem, hogy elterjesztette és meghonosította a szakmában a fekete lyuk kifejezést.
Ennek ellenére csak 1970-től jelent meg a szaklapok cikkeinek cimeiben az ADS szerint a “black hole”, vagyis fekete lyuk elnevezés, de akkor rögtön hat alkalommal is, köztük a későbbi fizikai Nobel-díjas Thorne is írt róluk. Azóta a kifejezés az élet minden területén elterjedt, nemcsak az asztrofizikában és a csillagászatban…
A fekete lyukak megértése azonban még korábbra nyúlik vissza, mint hogy elnevezték volna őket így. 1784-ben John Michell (1724-1793) anglikán tiszteletes és amatőrcsillagász egy nyilvános, nyomtatásban megjelent levelében feltette a kérdést, hogy vajon létezhet-e olyan csillag, amin a szökési sebesség meghaladja a fény sebességét, ezért a fény nem hagyja el a felszínét? Ebben az esetben nem látnánk, de gravitációsan érzékelhetnénk, mert megzavarná a látható objektumok mozgását. Akár igen sok is létezhetne belőlük az Univerzumban. 1796-ban Pierre Simon Laplace márki (1749-1827) matematikus, fizikus és csillagász tért vissza a témához, és míg Michell grafikusan, Laplace matematikai-fizikai alapon számította ki egy nem forgó fekete lyuk sugarát (mindketten korrektül egyébként). Ezt a sugarat később mégis Schwarzschild-sugárnak nevezték el, értéke egy naptömegnyi anyagra nézve kb. 3 km.
A 20. század első felében K. Schwarzschild (1873-1916), J. Droste (1886-1963), A. Eddington (1882-1944) elég közel jutottak ahhoz, hogy kimondják, lehet egy égitest kisebb, mint Schwarzschild-sugara és ekkor nem bocsáthat ki fényt. Legközelebb Eddington jutott a fekete lyukakhoz 1927-ben: kimondta, hogy ha egy égitest sugara a Schwarzschild-sugárra összehúzódik, akkor arról a fény sem tud kijutni. Ez a fekete lyukak modern definíciója: az égitest összes tömege a Schwarzschild-sugáron vagy azon belül található. 1958-ban azonosította D. Finkelstein (1929-2016) a Schwarzschild-sugarat eseményhorizontként (ha valami azon belülre kerül, nem tudjuk tovább követni a sorsát, mert nem kapunk róla fénnyel többé információt), 1963-ban Roy Kerr (1934-) új-zélandi fizikus kidolgozta a forgó fekete lyukak-szerkezetét, 1965-ben E. Newman (1929-) az elektromosan töltött, forgó fekete lyukak alapegyenleteit írta fel, az 1970-es években pedig S. Hawking (1942-) kezdett el spekulálni a róla elnevezett Hawking-sugárzásról, ami szerint valami mégiscsak kijöhet a fekete lyukakból. A Heisenberg-féle bizonytalansági reláció szerint ugyanis egy részecskének nem ismerhetjük egyszerre teljes pontossággal a helyét és a sebességét, hanem vagy-vagy. Vagy, ha mindkettőt ismerjük, akkor csak úgy, hogy a helymérés pontossága szorozva a tömeggel és a sebességének a bizonytalanságával, az egyenlő vagy nagyobb lesz, mint a Planck-állandó fele osztva 2 pivel. Ez lehetővé teszi, hogy pl. amikor egy foton fénysebességgel kering az eseményhorizonton, és kettéesik egy elektronra és pozitronra (ez megtörténik sokfelé egyébként is az Univerzumban és földi laboratóriumokban), a helyük a bizonytalansága annyi legyen, hogy az egyik éppen bekerül, a másik kikerül az eseményhorizonton belülre/kivülre, így nagy ritkán elszöhet egy-egy részecske a fekete lyukból (ezt a fekete lyukak párolgásának is nevezik).
Ma már 59, a Tejútrendszerünkün belüli, ún. csillagtömegű (tipikusan 3-20 naptömegű) fekete lyukat ismerünk, és 62 nagyon nagytömegűt (millió-milliárd naptömegűek) aktív galaxisok középpontjában. Itt-ott találtak közepes vagy átmeneti tömegűnek nevezett fekete lyukakat is (pár száz naptömegűek), amelyek eredete homályban van még. A fekete lyukak száma bizonyára óriási, a galaxisok számánál is nagyobb lehet, csak nem könnyű őket felfedezni, mert láthatatlanok számunkra.
Az Eseményhorizont Távcső-kísérlet (Event Horizont Telescope) egy érdekes és fontos friss, új kezdeményezés. Hatalmas rádiótávcsőrendszert szeretnének építeni szerte a Földön elhelyezett rádiótávcsövekből, amelyekkel így nagyon nagy szögfelbontás érhető el, vagyis nagyon apró részleteket is meg lehet figyelni majd vele nagy bázisvonalú interferometria alkalmazásával. A cél, hogy a Tejútrendszerünk közepén található, Sgr A* néven ismert rádióforrásban lévő, és a Messier 87 extragalaxis középpontjában lévő nagyon nagytömegű fekete lyukak környezetében lejátszódó eseményeket részleteiben megfigyeljék, akár azt is, hogyan tépnek szét ezek a fekete lyukak árapályerejükkel egy közelükben elhaladó normális csillagot és bolygórendszerét, és a széttépett anyag útját akár az eseményhorizontig is nyomon kövessék. Az első észlelések ezzel a távcsőrendszerrel 2017. áprilisában történtek, az első adatfeldolgozási lépések 800 magos számítógépklaszteron 2017. decemberében történtek, az első eredmények pedig a közeljövőben várhatók. Ez annyira izgalmasan és érdekesen hangzik, hogy levelezőlistánkon, honlapunkon és facebook-csoportunkban is tervezzük az eredményekről bezsámoló hírek közzétételét.
