Gravitációs kollapszus és fekete lyukak

Az atommagfúzió megszűntével a belőle származó nyomás is eltűnik, és a gravitáció összehúzódásra készteti a csillagot. A

$M_{\odot }$ -nál nagyobb tömegű csillagokban még a Pauli-féle kizárási elv sem képes megállítani a gravitációs kollapszust. Ennek vizsgálatában jó közelítés tehát a gravitáción kívül minden mást elhanyagolni, utóbbit pedig az általános relativitáselmélet keretén belül vizsgálni. Látni fogjuk, hogy gömbszimmetrikus esetben a kollapszus minden határon túl folytatódik, és fekete lyuk képződéshez vezet.

A fekete lyuk a téridőnek olyan tartománya, amelyet még a fény sem képes elhagyni. Határa az ún. eseményhorizont. Ha az eseményhorizontról fényjelet bocsájtanánk ki sugárirányban kifelé, az nem képes elhagyni az eseményhorizontot. Az általános relativitáselmélet keretén belül fekete lyukat tartalmazó téridők sokasága ismert. A legfontosabbak a gömbszimmetrikus, illetve a forgó fekete lyukak. Ezek kezdetben csak matematikai konstrukciók voltak, de napjainkra világossá vált, hogy a

$M_{\odot }$ -nál nagyobb tömegű csillagok fejlődésének végállapotát írják le.

Ismert az is, hogy minden galaxis központi régiójában egy szupernagy tömegű fekete lyuk található, jellemzően $3\times 10^{6}\div 3\times 10^{9} M_{\odot }$ tömegű. A mi galaxisunk közepén található példány aránylag kicsi, mindössze $4\times 10^{6}$ $M_{\odot }$ tömegű. Létezésére és tömegére a közeli csillagok mozgásából következtetünk (5.8 ábra).

A közeli galaxisokban található szupernagy tömegű fekete lyukak eloszlása az 5.9 ábrán látható. Nem tisztázott, miként tehettek szert ekkora tömegre ezek a fekete lyukak. A tömegnövekedést lehetővé tevő két mechanizmus az akkréció (a környező anyag beszippantása) és a galaxisok összeolvadása nyomán előbb-utóbb bekövetkező központi fekete lyukak összeolvadása. Előbbi a fekete lyukak forgását is növeli, utóbbi az esetek többségében csökkenti. Mivel a fekete lyukak jellemzően forognak, az akkréciós folyamat szerepe a tömeg növekedésében jelentősnek tűnik.

**5.8. Ábra:** A galaxisunk közepén található szupernagy tömegű fekete lyuk létezésére a közeli csillagok mozgásából következetünk. [Forrás: UCLA Galactic Center Group; http://www.astro.ucla.edu/~ghezgroup/gc/pictures/orbitsMovie.shtml]

Nyitott kérdés, hogy az asztrofizikai $6\div 100$ $M_{\odot }$ tömegtartomány és a szupernagy tömegű fekete lyukak tömegtartománya közötti tömegtartományban az ún. közepes tömegű fekete lyukak (intermediate mass black hole, IMBH) léteznek-e. A rendkívül kevés erre utaló megfigyelések egyike egy

$M_{\odot }$ -nél nagyobb tömegű röntgenforrás az ESO 243-49 galaxisban, amelyet közepes tömegű fekete lyukként értelmeztek. Közepes tömegű fekete lyukak létezését közepes koncentrációjú King-modellekkel jellemezhető gömbhalmazokban feltételezik. Az ultrafényes röntgenforrások rádió-tartománybeli megfelelői után kutatva az Európai Nagyon Hosszú Alapvonalú Interferometria (Very Long Baseline Interferometry, VLBI) Hálózat (EVN) megfigyeléseinek felhasználásával 3, egyenként ezred ívmásodperc kiterjedésű struktúrát találtak, amelyek közül az ULX N4088-X1 és az ULX N4861-X2 kompakt rádióemissziójuk miatt közepes tömegű fekete lyuk lehet, mindkettő $% 10^{5}$ $M_{\odot }$ tömegű és Eddington-luminozitás alatti akkréció jellemzi őket.

**5.9. Ábra:** A közeli () galaxisokban található szupernagy tömegű fekete lyukak égi eloszlása. A narancs, zöld, kék, vörös, fekete pöttyök $% 10^{5}$ , $10^{6}$ , $10^{7}$ , $10^{8}$ , illetve $10^{9}$ $M_{\odot }$ -nál nagyobb tömegeknek felelnek meg. A galaxis síkjában (egyenlítői sík) található szupernagy tömegű fekete lyukak észlelése nehézségekbe ütközik [Forrás: LÁ Gergely, PL Biermann, LI Caramete, Class. Quantum Grav. 27, 194009 (2010) ]