A fekete lyukak a világűr legtitokzatosabb objektumai közé tartoznak. Haldokló csillagokból keletkezhetnek, galaxisok középpontjában rejtőzhetnek, és nemcsak a teret, hanem az idő múlását is befolyásolják.

## 1. Haldokló csillagokból születnek

Egy csillagban két ellentétes hatás tart egyensúlyt: saját gravitációja összehúzná, míg a magjában zajló nukleáris reakciók energiája kifelé feszíti. Amikor elfogy az üzemanyaga, vagyis a hidrogén, ezek a reakciók lelassulnak, a külső rétegek pedig a világűrbe lökődnek. A csillag ezután már nem képes ellensúlyozni saját gravitációját, ezért összeomlik és összezsugorodik.

A Naphoz hasonló, kisebb csillagokból ilyenkor fehér törpe, vagyis kicsi, de forró csillagmaradvány lesz. A legalább háromszor nagyobb tömegű – esetenként több tíz- vagy százezerszeres tömegű – objektumok azonban tovább zsugorodhatnak, míg fekete lyukká nem válnak.

A fekete lyuk belsejében található a szingularitás, a világűr egyik legrejtélyesebb jelensége. Ez az összeomlott csillagmag az atomnál, az atommagnál, sőt az elektronnál is kisebb méretűvé zsugorodik. Méretét a Planck-hosszal adják meg, amely 1,616255(18) × 10⁻³⁵ méter. Ez körülbelül a proton méretének százkvintilliomod része; ennél kisebb méret nem létezhet. Ezen a skálán már nem alkalmazhatók a tér és az idő megszokott fogalmai, és a gravitáció kvantumhatásai válnak meghatározóvá.

A csillag teljes tömege egy elképesztően apró pontba sűrűsödik. A szingularitás gravitációja olyan erős, hogy vonzásának tartományából még a fény sem tud kijutni.

Azt nem tudhatjuk meg pontosan, milyen a szingularitás, mert eseményhorizont veszi körül. Ez nem fizikai felszín, hanem olyan határ, amely mögül egyetlen részecske sem térhet vissza. Nevével ellentétben a fekete lyuk nem lyuknak, hanem tökéletesen fekete gömbnek látszik.

## 2. Rengeteg fekete lyuk lehet a világegyetemben

A fekete lyukakat sokan ritka, pusztító és félelmetes égitesteknek gondolják, valójában azonban rendkívül sok van belőlük. Felfedezésük nehéz, mert egy magányos fekete lyuk nem bocsát ki látható sugárzást. Ha viszont csillagok vannak a közelében, elnyelheti anyaguk egy részét, vagy gravitációjával módosíthatja a pályájukat, így közvetve észlelhetővé válik.

A kutatók már sok ezer ilyen objektumot azonosítottak. A NASA becslése szerint csak a Tejútrendszerben 10 millió és egymilliárd közötti lehet a számuk. Asztrofizikai becslések alapján az egész világegyetemben 40 kvintillió, azaz 40 000 000 000 000 000 000 fekete lyuk lehet. Ez a kozmosz teljes normál anyagának körülbelül egy százaléka.

A hozzánk legközelebbi ismert fekete lyuk az Egyszarvú, amely mindössze 1500 fényévre található a Földtől. Kísérője egy vörös óriás, és éppen ennek segítségével következtettek a jelenlétére. A csillag fényessége periodikusan változik, így megfigyelhető, hogyan von el belőle tömeget és torzítja az alakját a fekete lyuk.

## 3. Városnyi és galaktikus óriások is léteznek

Tömegük alapján három fő csoportba sorolják a fekete lyukakat.

A csillagtömegű fekete lyukak a legegyszerűbb és leggyakoribb típus képviselői. Nagy tömegű csillagok összeomlásából keletkeznek, tömegük pedig a Napénak háromszorosától néhány tucatszorosáig terjedhet. Viszonylag kicsik: eseményhorizontjuk sugara néhány tíz kilométer, vagyis egy kisebb város méretéhez hasonlítható. Az Egyszarvú is ebbe a kategóriába tartozik.

A szupernagy tömegű fekete lyukak rendszerint a galaxisok középpontjában helyezkednek el – így van ez a Tejútrendszer esetében is. Tömegük a Nap tömegének milliószorosától milliárdszorosáig terjedhet. Nagyon ősi fekete lyukakból jöhetnek létre, amelyek hatalmas mennyiségű anyagot nyeltek el, de óriási gázfelhők összeomlása is létrehozhatja őket.

Galaxisunk központi fekete lyukát Sagittarius A*-nak nevezik. Jelenleg mi is körülötte keringünk, egy teljes fordulat pedig hozzávetőleg 230 millió évig tart. Az ilyen objektumok mérete szinte felfoghatatlan; a Főnix-halmaz központi fekete lyukának és a Napnak az összehasonlítása szemléltetheti igazán a különbséget.

A harmadik csoportot a közepes tömegű fekete lyukak alkotják. Ez viszonylag újonnan meghatározott, kevésbé ismert kategória, amely méretben a csillagtömegű és a szupernagy tömegű objektumok közé esik. Tömegük a Napénak tízszeresétől néhány tucatszorosáig terjed. Keletkezésük nem teljesen tisztázott: valószínűleg kisebb fekete lyukak összeolvadásával vagy rendkívül sűrű csillaghalmazok összeomlásával jönnek létre.

## 4. A fekete lyukak sem örök életűek

A tudósok sokáig úgy gondolták, hogy a fekete lyukak gyakorlatilag örökké léteznek: anyagot és sugárzást elnyelhetnek, de nem bocsáthatják vissza. Stephen Hawking brit fizikus azonban 1974-ben, a görbült téridőben alkalmazott kvantumtérelmélet segítségével megjósolta a fekete lyukak párolgását.

Feltételezése szerint az eseményhorizont közelében jelentkező vákuumhatások miatt a fekete lyukak részecskéket sugároznak ki, ezért idővel tömeget veszítenek. A számítások szerint a kvantumrészecskékből és antirészecskékből álló párok szétválhatnak: egyik tagjuk az eseményhorizont mögé zuhan, a másik pedig az űrbe távozik, magával víve a fekete lyuk energiájának és tömegének egy részét. Ezt nevezik Hawking-sugárzásnak.

A folyamat következtében a fekete lyuk gravitációs tere folyamatosan gyengül, az objektum pedig zsugorodik. Idővel már nem marad elég nagy tömegű ahhoz, hogy stabil szingularitást tartson fenn, ezért felrobban.

A párolgás azonban rendkívül lassú, mivel az energia részecskéről részecskére távozik. A számítások szerint egy csillagtömegű fekete lyuk élettartama 10⁶⁷ év lehet. Egy 100 milliárd tonnás szupernagy tömegű objektum pedig 2 × 10¹⁰⁰ év alatt párologna el – ez összehasonlíthatatlanul hosszabb idő a világegyetem jelenlegi koránál.

## 5. Az idő múlását is lelassítják

Einstein relativitáselmélete szerint a nagy tömegű objektumok – például bolygók, csillagok és fekete lyukak – gravitációs tere elgörbíti a környező teret és időt. A jelenséget gravitációs idődilatációnak nevezik.

Még a Föld felszínén is kissé lassabban telik az idő, mint egy űrállomás fedélzetén. Ezt kísérletek igazolták: a műholdak atomórái 38 nanoszekundperccel sietnek a Földön azonos módon beállított órákhoz képest. Emiatt a GPS-műholdak fedélzeti óráinál relativisztikus korrekcióra is szükség van.

A Föld gravitációja azonban nem különösebben erős. Egy fekete lyuk környezetében sokkal látványosabb az idő lassulása. Ha valaki pályára állna körülötte, majd visszatérne egy kisebb gravitációjú térségbe, azt tapasztalná, hogy ott több idő telt el, mint számára az utazás alatt. Ez persze csak elméleti lehetőség: jóval az ergoszféra, különösen pedig az eseményhorizont megközelítése előtt rendkívül súlyos problémák jelentkeznének.

Egy fekete lyuktól tíz Schwarzschild-sugárnyi távolságban egy helyi nap a Földön 25,3 órának felelne meg. Másfél Schwarzschild-sugárnál már 41,6 órának, közvetlenül az eseményhorizont közelében pedig 141 földi napnak.

Ezek a számítások csak nem forgó fekete lyukra érvényesek. Ha az égitest forog a tengelye körül, még jobban lelassíthatja az időt, mivel magával sodorja a teret is. Minél gyorsabban forog, annál erősebb az időlassulás az ergoszférájában.

Az Interstellar című film Miller bolygója ezért a valóságban nem létezhetne azon a környéken, ahol egy ottani nap hét földi évnek felel meg. A fekete lyuk ilyen térségében nincs stabil pálya: a bolygót vagy szétszakítanák az árapályerők, vagy az eseményhorizont mögé zuhanna.