Gravitációs hullámok: megvan az újabb nagy felfedezés

Hatalmas szenzációként robbant februárban a hír: elsőként észleltek gravitációs hullámokat. Két fekete lyuk összeolvadásának teret rengető energiája cibálta meg a frissen felturbózott LIGO detektor lézerkarjait. A február 11-ei sajtótájékoztatón többször is elhangzott, hogy itt nem egyszerűen tudományos érdekességről, vagy Einstein általános relativitáselméletének újabb kísérleti bizonyítékáról van szó. A gravitációshullám-detektorok ugyanis egy teljesen új ablakot nyitnak a világegyetemre, melyet eddig lényegében csak a hozzánk eljutó elektromágneses jelek (rádióhullámok, fény, röntgen- és gammasugárzás) révén vizsgálhattunk.

Ablak a gravra

Aki egy picit is távolságtartással fogadta a hangzatos metaforát, most megnyugodhat: a LIGO által nyitott ablak látóterében újabb kataklizmatikus esemény jelent meg. Ezúttal egy 14 és egy 8 naptömegnyi fekete lyuk összeolvadásának lehettünk távoli tanúi. Az eseményt 2015 karácsonyának második napján észlelték, és június 15-én, magyar idő szerint 19.15-kor Az észlelésről beszámoló tanulmányt a Physical Review Letters közöltejelentette be a LIGO. Az így létrejött fekete lyuk tömege 21-szerese Napunkénak, az összeolvadás során „eltűnt” egy naptömegnyi anyagból származó energia pedig teljes egészében gravitációs hullámok formájában távozott, hiszen az energiamegmaradás Einstein univerzumában is érvényes. Az eseményt a LIGO livingstoni és hanfordi detektora egymástól függetlenül észlelte, akárcsak a februári, első felfedezés során.

Milyen a decemberi, GW151226-os számú gravitációshullám-jel az első, szeptemberben észlelt GW150914-os gravitációs hullám jeléhez képest? Ez látható a Caltech LIGO laboratóriumában készült videón:

A LIGO által észlelt két gravitációshullám-esemény forrásainak valószínű pozíciója a déli éggömbön. A színes vonalak a hullámforrások helyét jelzik, befelé csökkenő valószínűséggel LIGO/Axel Mellinger

„Nagy jelentőségű, hogy ezek a fekete lyukak sokkal kisebb tömegűek voltak, mint az első alkalommal észleltek” – mondta az észlelésről Gabriela González, a nemzetközi LIGO Tudományos Együttműködés szóvivője, a Louisana Állami Egyetem fizika és csillagászat professzora.

Az összeolvadás során egymás körül egyre gyorsabban keringő fekete lyukak rendszere ugyanis a résztvevők tömegétől függően eltérő viselkedést mutat. Ahogy az összeolvadás végállapotához közelednek, folyamatosan változik a kibocsátott gravitációs hullámok frekvenciája, a detektoraink pedig csak bizonyos frekvenciatartomány érzékelésére képesek. Az előző, csaknem háromszor ekkora össztömegű feketelyuk-páros esetében a kibocsátott gravitációs hullámok nagyjából 0,2 másodpercig estek a detektorok érzékeny frekvenciasávjába, míg a 2015 decemberében észlelt esemény ennél körülbelül ötször nagyobb időablakot adott (ott az összeolvadás előtti utolsó 8 keringés hullámait észlelték, míg itt 27-et).

A két detektor észlelésének időeltolódásából a csillagászok következtetni tudtak az égi esemény hozzávetőleges helyére, és azt is megállapították, hogy a két fekete lyuk tőlünk nagyjából 1,4 milliárd fényévnyire adott egymásnak végzetes randevút.

A LIGO hanfordi (balra) és livingstoni létesítménye Forrás: Caltech/MIT/LIGO Lab

Új obszervatórium születik

Ahhoz azonban, hogy a gravitációshullám-detektorok összességében valóban a szó klasszikus értelmében obszervatóriumként működjenek, legalább három kell belőlük, és jobb, ha viszonylag nagy távolságban vannak egymástól. Szerencsére hamarosan beszáll a mérésekbe a LIGO detektorok európai testvérprojektje. „A közeljövőben a Virgo, az európai interferométer is csatlakozni fog a gravitációshullám-detektorok hálózatához, amelyek együttműködnek a jelforrások utómegfigyelését végző földi teleszkópokkal” – mondta Fulvio Ricci, a Virgo Együttműködés szóvivője. „A három interferométer együttesen a jelek sokkal jobb égi lokalizálását teszi majd lehetővé.”

A gravitációshullám-obszervatóriumok fejlesztésének már önmagában az is jelentős további lökést adhat, hogy négy hónapon belül két észlelést végeztek a LIGO detektorok. Ez ugyanis elég meggyőzően jelzi, hogy azok a gravitációs hullámokat produkáló jelenségek, melyek mai eszközeinkkel észlelhetők, nem lehetnek túl ritkák.

A LIGO egyik technikusa a berendezés egyik legfontosabb eleme, a tükörrendszer ellenőrzését végzi 2015. december 14-én, mielőtt a kamrát lezárnák és vákuumot képeznének benne. A LIGO megfelelő működése szempontjából kulcsfontosságú, hogy az optikai felületek szennyeződésmentesek legyenek Caltech/MIT/LIGO Lab/Matt Heintze

Csemegék Einstein svédasztaláról

Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető egyetemi tanára, az egyetemen 2007-ben megalakult LIGO-csoport vezetője, az MTA-ELTE Lendület Asztrofizikai Kutatócsoportjának alapítója az mta.hu-nak elmondta, hogy a LIGO jelenleg négy munkacsoportban kutat a mért zajos adatfolyamban gravitációs hullámok után. A csoportok az alábbi elképzelhető jelforrások tulajdonságait vizsgálják:

• kompakt összeolvadó objektumok (ilyen jelet talált a LIGO; kompakt objektumok lehetnek fekete lyukak, neutroncsillagok vagy fehér törpék),
• folytonos hullámok (például nem tengelyszimmetrikus pörgő neutroncsillagok keltette, hosszan fennmaradó, adott frekvenciájú hullámzás),
• a fel nem bontott „sztochasztikus” háttér,
• az első három kategóriába nem tartozó „kitörésszerű” hullámok, mint például egy szupernóva-robbanás, vagy egy csillagrengés gravitációshullám-jele.

A kis hertzek birodalma

A lézeres interferometria alapján működő detektorokról fontos tudni, hogy a karjaik hosszúságával azonos hullámhosszúságú gravitációs hullámok észlelésére a legalkalmasabbak. A földi detektorok karhosszúsága 3-4 km, és ezekben néhány százszor verődik oda-vissza a lézerfény a tükrök között , mielőtt kilépne a kamrából, ezért az „effektív karhossz” 1000 km nagyságrendű.

A fény sebességével terjedő, nagyságrendileg 1000 km hullámhosszú gravitációs hullám frekvenciája pedig néhány száz Hertz, így a például a LIGO a 10 és 1000 Hz közötti hullámokra a legérzékenyebb. Ez azt jelenti, hogy a földi detektorok csak olyan kompakt objektumok jeleit fogják fel, ahol az egymás körül keringő objektumok tömege „csillagnyi” – vagyis azok a fekete lyukak, amelyek egymás körüli keringéséhez, összeolvadásához tarozó jelet a LIGO észlelni tud, 1–10, de legfeljebb 100 naptömegűek lehetnek.

Számítógépes ábra egy galaxis középpontjában elhelyezkedő szupernehéz fekete lyukról Forrás: NASA, ESA, and D. Coe, J. Anderson, and R. van der Marel (STScI)

Galaxisunk középpontjában azonban egy 4 millió naptömegű, „szupernehéz” fekete lyuk alakult ki az évmilliárdok alatt, és jelenlegi elképzeléseink szerint minden galaxis közepén találhatunk ilyet. Ezek a galaxisok ütközése során egymással összeolvadva, illetve a galaxisban lévő gázt magukba szívva növekednek. Az ilyen összeolvadó fekte lyukak – nagy tömegük miatt – sokkal lomhább rendszert alkotnak, sokkal kisebb a frekvenciájuk, azaz sokkal nagyobb a gravitációs hullámjelük hullámhossza annál, amit a Föld felszínéről észlelni tudunk. Éppen ezért lenne fontos, hogy az ESA, az Európai Űrügynökség által tervezett eLISA űrdetektor pályára álljon, mert annak “karhossza”, vagyis az egymás távolságát mérő műholdjanak távolsága nagyságrendileg millió kilométeres lesz.

A gravitációs hullámok észlelése minden bizonnyal teljesen új irányt nyit a világűr kutatásában, ugyanis a téridő e rezgései – ellentétben a csillagászati megfigyelések nagy többségében észlelt elektromágneses jelekkel – mindenen áthatolnak, így közvetlen információt adhatnak olyan jelenségekről, melyek eddig rejtve maradtak előttünk. Ilyen ismereteket már az első két megfigyelés is szolgáltatott, hiszen fekete lyukak viselkedéséről korábban csak indirekt módon, környezetük változásából szerezhettünk adatokat, míg a mostani gravitációshullám-észlelések közvetlen és igen pontos információkat szolgáltattak az összeolvadó fekete lyukak tömegéről és mozgásáról.