Honnan jöttek a szupermasszív fekete lyukak?

0:00 Egy kétéves, aki négyszázszor nehezebb az apjánál

Képzelj el egy kétéves kisgyereket, aki négyszázszor nehezebb az apjánál. Nevetséges, ugye? Pedig az égen pontosan ilyesmit látunk. Amikor a világegyetem még csak nagyjából 670 millió éves volt, vagyis a mai korának 5%-ánál sem tartott, már létezett egy fekete lyuk, ami 1,6 milliárd Nap tömegét gyűjtötte össze. Ez nagyjából négyszázszor annyi, mint amennyit a saját galaxisunk központi fekete lyuka nyom ma, közel 14 milliárd évvel a kezdet után. És a James Webb űrtávcső ennél is korábbi, még meglepőbb példákat talál. Ezek az ősi szörnyek. Ebben a részben előbb bebizonyítjuk, hogy a fekete lyukak tényleg léteznek. Aztán megnézzük, miért nem kellene, hogy ilyen korán ilyen nagyok legyenek.

0:45 És hogy mit gondolnak erről ma a kutatók, és miben nem értenek egyet.

0:50 Ez A Föld története, a hetedik rész.

1:05 A galaxisok szívében

Az előző részben láttuk, hogyan gyűjtötte össze a sötét anyag a gázt, amiből az első galaxisok lettek. Most ezeknek a galaxisoknak a közepébe nézünk. Majdnem minden nagy galaxis szívében ül egy óriási fekete lyuk, a miénkben is. Hogy ezek a szörnyek honnan jöttek, az ma a csillagászat egyik legforróbb kérdése. És ahogy a következő részben látni fogjuk, a galaxisok sorsát, közvetve a Naprendszerét is, ők alakították.

1:30 A pont, ahonnan nincs visszaút

1:32 Ha feldobsz egy labdát, visszaesik. Ha elég gyorsan dobod, másodpercenként nagyjából 11 kilométerrel, akkor elhagyja a Földet. Ez a szökési sebesség. Most képzeld el, hogy a teljes Földet összenyomod egy nagyjából 2 centiméteres golyóvá, egy cseresznye méretűre. A tömeg ugyanannyi, de a felszínen olyan erős lesz a gravitáció, hogy a szökési sebesség meghaladja a fényét. Onnan semmi nem jut ki, még a fény sem. Ez egy fekete lyuk. A határ, ahonnan már nincs visszaút, az eseményhorizont. Két fő fajta fekete lyukat ismerünk. A csillagtömegűek egy nagy csillag halálakor keletkeznek, és néhány vagy néhányszor tíz Nap tömegűek. A szupermasszívak viszont milliószor, milliárdszor nehezebbek a Napnál, és a galaxisok közepén csücsülnek.

2:21 Az ötlet meglepően régi. Karl Schwarzschild német csillagász már 1916-ban, az első világháború frontján megtalálta Albert Einstein egyenleteinek azt a megoldását, amiből az eseményhorizont következik. Évtizedekig sokan csak matematikai furcsaságnak tartották.

2:39 Honnan tudjuk? Csillagok egy láthatatlan pont körül

Ma már tudjuk, hogy valódi.

2:41 A Tejútrendszer közepét por takarja, a látható fény nem jut át rajta. Az infravörös viszont igen. Az 1990-es évektől két csapat figyelte infravörös távcsövekkel a galaxis középpontját: az egyiket Reinhard Genzel vezette Németországból, az európai déli obszervatórium chilei távcsöveivel, a másikat Andrea Ghez az Egyesült Államokból, a hawaii Keck-távcsövekkel. Évtizedeken át követték a középpont körül keringő csillagokat, mint a bolygókat a Nap körül. A leghíresebb az S2 nevű csillag, amely nagyjából 16 évente tesz meg egy kört. 2018-ban, a legközelebbi pontján másodpercenként 7600 kilométernél is gyorsabban száguldott, ez a fénysebesség nagyjából 2,5 százaléka.

3:27 A pályákból ki lehet számolni a középen lévő tömeget: nagyjából 4 millió Nap. Mindez egy olyan térrészben, amelynek a sugara kisebb, mint 17 fényóra. És ez a tömeg alig bocsát ki fényt. Erre csak egy ismert magyarázat van: egy szupermasszív fekete lyuk. A neve Sagittarius A*. Genzel és Ghez ezért kapták meg a 2020-as fizikai Nobel-díj felét.

3:53 Honnan tudjuk? Az árnyék

3:55 2017-ben nyolc rádióobszervatórium a Föld különböző pontjain egyszerre ugyanarra a pontra nézett. Összekapcsolva úgy működtek, mint egyetlen, Föld méretű távcső. Ez az Eseményhorizont Teleszkóp. 2019. április 10-én bemutatták az első képet egy fekete lyukról: a Messier 87 galaxis közepén ülőről, ami 55 millió fényévre van tőlünk és 6,5 milliárd Nap tömegű. Egy izzó gázgyűrű, közepén sötét árnyék, pontosan olyan, amilyet Einstein elmélete megjósolt. 2022. május 12-én jött a saját fekete lyukunk képe is. Ez akkora teljesítmény, mintha a Holdon heverő fánkot fényképeznéd le a Földről. 2015 óta ráadásul a gravitációshullám-detektorok fekete lyukak összeolvadásának rezdüléseit is észlelik.

4:45 A fekete lyukak létezése ma tehát nem elmélet, hanem megfigyelt tény.

4:51 Túl nagyok, túl korán

4:53 Hogyan látunk egyáltalán egy fekete lyukat 13 milliárd fényévről? Úgy, hogy evés közben ragyog. A beléje spirálozó gáz súrlódik, felforrósodik, és fényesebben világít, mint a galaxis összes csillaga együtt. Az ilyen falatozó fekete lyukat kvazárnak hívjuk. Róla a következő részben sokkal többet mesélek majd. 2017 végén bejelentettek egy kvazárt, amely 690 millió évvel a kezdet után már 800 millió Nap tömegű volt. 2021-ben jött a rész elején említett rekorder: 1,6 milliárd Nap, nagyjából 670 millió évvel a kezdet után.

5:33 Honnan tudjuk? Hogyan mérjük meg messziről?

5:35 Magát a fekete lyukat nem látjuk. A körülötte keringő gázfelhőket viszont igen, és ezek másodpercenként több ezer kilométeres sebességgel száguldanak. Emlékszel a mentőautó szirénájára az első részből? A felénk közeledő gáz fénye a kék, a távolodóé a vörös felé tolódik, és együtt kiszélesítik a színkép vonalait a Doppler-effektus miatt. A szélességből kiszámolható a sebesség. Ha azt is tudjuk, milyen messze keringenek a felhők a középponttól, a tömeg ugyanúgy adódik, mint az S2 csillagnál. Ezt a távolságot ilyen messziről nem látjuk. A fényességből becsüljük, egy olyan összefüggéssel, amit közeli galaxisokon mértek ki. Ezért ezek a tömegek nagyságrendre jók, de néhányszoros tévedés is lehet bennük.

6:19 Ez még fontos lesz. És itt jön a baj.

6:20 Az Eddington-határ

6:22 A fekete lyukak nem tudnak akármilyen gyorsan hízni. Ahogy a gáz behullik, felforrósodik és sugároz, és ez a fény visszanyomja a további gázt. Mintha enni próbálnál, miközben valaki hajszárítóval fúj az arcodba, és minél többet eszel, annál erősebben fúj. Egy bizonyos tempónál a fény nyomása már kiegyenlíti a gravitációt. Ezt a határt a brit csillagászról, Arthur Eddingtonról Eddington-határnak hívjuk. Ha egy fekete lyuk folyamatosan, ezen a határon eszik, nagyjából 30-35 millió évente tudja megduplázni a tömegét.

6:54 Huszonhárom duplázás

Most számoljunk. Az első csillagok maradványaiból, amikről az ötödik részben volt szó, nagyjából 100 Nap tömegű fekete lyukak lehettek. Ahhoz, hogy százból egymilliárd legyen, 23 duplázás kell.

7:10 Ez megszakítás nélkül, végig maximális tempóban is háromnegyed milliárd év. Csakhogy az első csillagok sem a Nagy Bumm pillanatában születtek, a fekete lyukak pedig a valóságban nem esznek folyamatosan. Az idő egyszerűen nem elég.

7:25 Az új távcső még nagyobb rejtélyt talált

7:27 Aztán jött a James Webb űrtávcső, és a helyzet nem egyszerűbb lett, hanem furcsább. 2023-ban egy csapat, amelyet a Harvard–Smithsonian Asztrofizikai Központ magyar kutatója, Bogdán Ákos vezetett, egy különleges galaxist vizsgált, az UHZ1-et. A Webb megtalálta a galaxist, a Chandra röntgen-űrtávcső pedig a röntgensugárzást, ami a falatozó fekete lyukat jelzi. Egy előtérben lévő galaxishalmaz gravitációs lencseként nagyjából négyszeresére erősítette a halvány jelet. Az eredmény: egy tíz-százmillió Nap tömegű fekete lyuk, mindössze 470 millió évvel a Nagy Bumm után. A saját galaxisához képest is szokatlanul nehéz.

8:09 A GN-z11 és a sebességkorlát

8:10 2024-ben a Roberto Maiolino vezette csapat a GN-z11 nevű galaxisban talált egy kisebb, nagyjából másfél millió Napnyi fekete lyukat, alig több mint 400 millió évvel a kezdet után. Ez a fekete lyuk nagyjából az Eddington-határ ötszörösével eszik. Hogyan lehetséges ez? Ha a gáz elég sűrűn és gyorsan zuhan befelé, a keletkező fény egy része nem tud kiszabadulni, hanem a gázzal együtt eltűnik a horizont mögött, és így kevésbé fékez. A sebességkorlát tehát, legalábbis egy ideig, áthágható.

8:40 Honnan tudjuk? A kis vörös pöttyök vitája

8:41 A Webb első felvételein feltűnt még valami: apró, nagyon vörös, kompakt foltok százai a korai világegyetemben. A kutatók elnevezték őket kis vörös pöttyöknek. Sokuk színképében a hidrogén vonalai nagyon kiszélesednek, ami gyorsan keringő gázra, vagyis fekete lyukra utal. Röntgenben viszont szinte semmit nem látni belőlük, pedig egy falatozó fekete lyuknak röntgenben kellene ragyognia. Hogy mik ezek, arról ma is éles vita folyik. Egy 2026 januárjában megjelent tanulmány szerint a bennük ülő fekete lyukat sűrű, ionizált gázgubó veszi körül, ami a vonalakat a valóságosnál szélesebbnek mutatja.

9:19 Ha ez igaz, ezek a fekete lyukak akár százszor kisebbek, mint ahogy először gondolták. Mások szerint a gubó olyan vastag, hogy az egész kívülről egy óriási csillagnak látszik, belül pedig egy fekete lyuk hajtja. És vannak, akik szerint legalább egy részük egyszerűen nagyon tömör csillagváros. Ez szép példája annak, hogyan javítja ki önmagát a tudomány. A korai fekete lyukak tömegét közvetett módszerekkel becsüljük, amiket közeli galaxisokon kalibráltak. Lehet, hogy egyes ősi szörnyek kisebbek, mint hittük. A legnagyobb kvazárokkal azonban a probléma megmarad.

9:50 Honnan jöttek a magok?

9:52 Két fő elképzelés verseng arról, honnan jöttek a magok, vagyis azok a kezdeti fekete lyukak, amelyekből az óriások felnőttek. Az első a könnyű mag: az első csillagok halálakor keletkező, néhányszor tíz vagy néhány száz Nap tömegű fekete lyukak. Ezekből csak akkor lehetett ilyen hamar óriás, ha hosszú ideig a határ közelében vagy afölött ettek, ahogy a GN-z11-nél látjuk.

10:15 A nehéz mag

A második a nehéz mag. Eszerint bizonyos helyeken egy hatalmas, ősi gázfelhő nem esett szét csillagokra, hanem egyben omlott össze, és rögtön egy tíz-százezer Nap tömegű fekete lyuk lett belőle. Ehhez a gáznak melegnek kell maradnia, hogy ne aprózódjon fel. Ezt egy közeli galaxis erős ultraibolya fénye biztosíthatja. Olyan ez, mint amikor a tészta nem morzsálódik szét, hanem egyetlen gombóccá áll össze. Ez a közvetlen összeomlás elmélete. Bogdán Ákos csapata szerint az UHZ1 fekete lyuka nehéz magból indulhatott. A 2021-es rekorder kvazár felfedezői szerint pedig annak a fekete lyuknak legalább tízezer Nap tömegű magból kellett indulnia. Van harmadik lehetőség is: sűrű, fiatal csillaghalmazokban sok kis fekete lyuk olvadhatott össze egy nagyobbá.

11:01 És a legmerészebb, amiről az előző részben volt szó: ősi, a legelső pillanatokban keletkezett fekete lyukak is lehettek a magok.

11:09 Hogyan dönthetjük el?

Hogyan dönthetjük el, melyik igaz?

11:12 Az egyik nagy remény az ESA LISA nevű gravitációshullám-obszervatóriuma, amit a 2030-as évek közepére terveznek: három űrszonda, egymástól több millió kilométerre, amelyek a korai, kisebb fekete lyukak összeolvadását is meghallhatják. A könnyű és a nehéz magokból felnőtt fekete lyukak összeolvadásai más-más jelet adnának.

11:33 Hol tartunk?

Hol tartunk? Ezt tudjuk: a szupermasszív fekete lyukak léteznek, és már félmilliárd évvel a kezdet után ott voltak. Ez a legvalószínűbb: többféle út is létezett, és a nehéz magok mellett egyre több érv szól. Erről ma is vita van: melyik út volt a gyakoribb, mik a kis vörös pöttyök, és mennyire pontosak a korai tömegbecslések.

11:53 Mivel etették?

A kétéves gyerek, aki négyszázszor nehezebb az apjánál, tehát létezik. Tudjuk, hogy ott van, le is fényképeztük a rokonait. Azt viszont még nem tudjuk, hogy mivel etették. És gondolj bele, milyen utat tett meg ez az ötlet. Alig több mint száz éve a fekete lyuk egy frontról küldött számítás furcsa mellékterméke volt. Ma lefényképezzük őket, és azon vitatkozunk, mit ettek kisgyerekkorukban. A mi galaxisunk szörnye ma csendes. 4 millió Napnyi tömeggel ül 27 ezer fényévre tőlünk, és nem fenyeget minket. De a Tejútrendszer, és benne a Naprendszer, egy olyan világegyetemben nőtt fel, amit ezek az ősi szörnyek formáltak. Hogy hogyan, az kiderül, ha megnézzük, mi történik, amikor egy ilyen szörny igazán nekiáll enni.

12:36 A következő részben

Amikor egy szupermasszív fekete lyuk falatozik, a világegyetem egyik legfényesebb objektuma lesz belőle. Egyetlen kvazár többet sugároz, mint galaxisának összes csillaga együtt. Ez a fény és az általa keltett szél pedig kisöpörheti a gázt az egész galaxisból, és örökre leállíthatja a csillagkeletkezést. Hogyan hal meg egy galaxis? És a mi fekete lyukunk is csinált ilyet? Jönnek a galaxis-gyilkosok.