Másféle fizikát látunk majd – Frei Zsolt a gravitációs hullámok kutatásáról

2016. január 12-én véget ér az első adatgyűjtési időszak a világ legérzékenyebb gravitációshullám-detektorainál. Az Egyesült Államokban működő Advanced LIGO nevű rendszer érzékenységét tavaly ősszel jelentősen megnövelték. Milyen eredmények várhatók az új adatokból? Miért lenne alapvető fontosságú a gravitációs hullámok felfedezése? Hogyan vesznek részt magyar kutatók az Advanced LIGO kísérleteiben? Frei Zsolt tanszékvezető egyetemi tanárt, az Eötvös Loránd Tudományegyetemen működő MTA Lendület Asztrofizikai Kutatócsoport vezetőjét kérdezte az mta.hu.

2016. január 13. Tuczai Emese

Mikor látott napvilágot a gravitációs hullámok elmélete?

Einstein száz évvel ezelőtt tette közzé az általános relativitáselméletet, mely sok mindent megmagyarázott és előre megjósolt a gravitáció működését illetően. Erre szükség is volt, ugyanis, mint kiderült, erős gravitációs tér esetén a newtoni elmélet már nem ad pontos leírást bizonyos fizikai jelenségekre. Erre jó példa a Merkúr pályája. A Naphoz legközelebb eső bolygót már igen erős gravitációs vonzás éri, aminek következtében pályája nem egészen olyan, mint ahogy azt a newtoni fizika alapján a Kepler-törvényeknek megfelelően várnánk. Amikor Einstein elmélete napvilágot látott, hirtelen megmagyarázott néhány dolgot, többek közt a Merkúr pályáját is. Ez egy azonnal igazolható kísérleti bizonyíték volt, de akadt olyan jelenség is, mely technológiai okok miatt csak sokkal később nyert igazolást. A gravitációs hullámokat pedig a mai napig sem tudtuk közvetlenül detektálni.

Mi kelti a hullámokat?

Frei Zsolt

Azt gondoljuk, hogy a nagy tömegek gyorsuló mozgásuk során hullámokat keltenek a téridő hálójában. Ezt a görbülő teret sokszor egy gumihálóval szokták szemléltetni. Ha egy kifeszített hálóra egy nehéz tárgyat helyezünk, az görbületet okoz a „térben”. Tegyük fel, hogy megrázzuk ezt a hálót, ekkor a keltett hullámok tovaterjednek a felületen. Jelen példában ezek a hullámok a gravitációs hullámok. A fő ok, amiért a mai napig nem sikerült ezeket a hullámokat kimutatni, az az, hogy a tér fodrozódása annyira kicsi (10–21 nagyságrend), hogy pl. egy 1 méteres méterrúd csak 10-21 métert változtat a hosszán, ennél pedig még az atommag mérete (10-14-10-15 m) is nagyságrendekkel nagyobb.

Pedig 2014 tavaszán sokan cikkeztek arról, hogy felfedezték az Einstein által megjósolt hullámokat.

A BICEP-2 távcső eredményét a sajtó rendkívül helytelenül interpretálta, ha azt a kijelentést nézem, miszerint a rádiótávcsővel felfedezték a gravitációs hullámokat. Ha a mérések helyesek lettek volna, és azóta nem cáfolták volna az eredményeket, akkor arról lett volna benne szó, hogy kutatók az ősrobbanásból származó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban (az egész univerzumot kitöltő elektromágneses sugárzás) felfedeztek egy mintázatot, amelyet úgy magyaráztak, hogy azt az inflációból származó gravitációs hullámok hozhatják csak létre. Tehát nem a gravitációs hullámok létezését vélték kimérni, hanem az általuk okozott valamiféle jelenséget. Ez egy indirekt felfedezés lett volna, de ma már tudjuk, hogy a mintázatnak más az eredete.

Frei Zsolt munka közben a LIGO hanfordi (Washington állam) obszervatóriumában

Ezek szerint mégsem fedeztük fel őket?

Direkt módon a mai napig nem tudtuk kimutatni ezt a jelenséget, indirekt módon azonban már több bizonyítékunk is van a hullámok létezésére. Russell Hulse és Joseph Taylor Nobel-díjas felfedezése is ez utóbbiak közé sorolható. A két kutató egy kettős rendszert alkotó pulzár (gyorsan forgó neutroncsillag) vizsgálatával megállapította, hogy a rendszer éppen annyi energiát veszít, amennyit a gravitációs hullámok kibocsátásával az Einstein-féle elmélet megjósol.

Optikai, röntgen- vagy rádiótávcsöveinkkel nem is szerezhetünk közvetlen bizonyítékokat erről a jelenségről?

Erre csak a gravitációs hullámdetektorok használhatóak, melyek legelterjedtebb formája ma az úgynevezett lézer-interferométer.

A hanfordi LIGO létesítmény Forrás: Caltech/MIT/LIGO Lab

Hogyan működik egy ilyen detektor?

Tulajdonképpen egy méterrúd hosszváltozásait próbáljuk lemérni, ami persze a valóságban nem egy 1 méteres alumíniumdarab. A LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) egy Amerikában található gravitációshullám-detektor, a mi kutatócsoportunk pedig az ehhez a detektorhoz kapcsolódó egyik projektben vesz részt. Ebben az esetben a méterrúd két egymásra merőleges, 4 kilométer hosszú „kart‟ jelent. Azt várjuk, hogy az áthaladó gravitációs hullámok hatására a műszer egyik karja megrövidül, a másik meghosszabbodik. A két kar végein tükrök vannak elhelyezve, melyek közt lézerfény szaladgál. Végül a rendszerből kivezetett fénycsóvák összetalálkoznak (interferálnak), és a fény hullámtulajdonsága miatt ezek a hullámok erősítik vagy gyengítik egymást. A kapott intenzitásból tudunk következtetni a karok rövidülésére, illetve hosszabbodására, amiből végső soron arra kapunk választ, hogy áthaladt-e gravitációs hullám a detektoron.

A livingstoni LIGO létesítmény Forrás: Caltech/MIT/LIGO Lab

Mit ért zajokon?

Minden környezetbeli, földi zavar – akár csak az, hogy elsétálok a detektor közelében – sokkal nagyobb rezgést tud okozni ezen a rendszeren, mint a gravitációs hullámok. Ezeket olyan szintre kellene csökkenteni, hogy az általunk keresett jel erőssége nagyobb legyen, mint a külső zavaroké.

Ha jól tudom, az ön kutatócsoportja is épített egy zajszűrő műszert.

Mi egy úgynevezett infrahang-detektort készítettünk, amellyel képesek vagyunk a levegőben terjedő alacsony frekvenciás hangokat kiszűrni. Erre nagy szükség van, ugyanis ezek a hullámok képesek behatolni az épületbe és megrezegtetni a falakat, berendezéseket. Legelőször az 1950-es években használtak ilyen mikrofonokat, még az atomrobbantási kísérletek tilalmának ellenőrzésére. Ha ugyanis a magaslégkörben felrobbantok egy atombombát, akkor az általa kibocsátott infrahang az alacsony légköri csillapítás miatt a Föld másik felén is „hallható". Az emberi fül ugyan nem hallja ezeket a hullámokat, de egy ilyen mikrofon segítségével könnyen észlelhetőek.

Frei Zsolt kutatócsoportjának műszere a LIGO hanfordi állomásán

Az atombombán kívül mi képes még ilyen „hangot adni"?

Vulkánkitörések, villámlások a távolban vagy egy közeli szélerőmű is képes ilyen alacsony frekvenciás morajlásokat kibocsátani. Egy űrrepülő fellövésével járó infrahangok például hétszer kerülik meg a bolygónkat, mire teljesen „elhalkulnak".

Ha végre „megpillantjuk" ezeket a hullámokat, mit várnak a kutatók a rendszeres észlelésüktől?

Én nem relativitáselmélettel foglalkozó tudós vagyok, aki egyszer szeretné kipipálni ezt a felfedezést is. Nekem mint asztrofizikusnak az izgalmat a rendszeres megfigyelés jelenti, ekkor ugyanis új mérési eljárás lesz a kezünkben. Más fizikát látunk majd, mint amit az optikai, röntgen- vagy rádiótávcsöveinkkel, ezekben az esetekben ugyanis az elektromágneses spektrum különböző hullámhosszait tudjuk megfigyelni. A gravitációs hullám azonban nem az elektromágneses, hanem a gravitációs kölcsönhatásból származik. Vegyünk példának két összeolvadó fekete lyukat. Ebből a „rendszerből" nem tud kijutni a fény, így számunkra láthatatlan marad az esemény. Azonban a gyorsuló mozgás és a hatalmas tömegek miatt az összeolvadás gravitációs hullámjele igen erős lesz. Ha sikerül észlelni ezeket a hullámokat, akkor sok, számunkra eddig láthatatlan dolgot pillanthatunk meg.

Frei Zsolt és kollégái a gravitációshullám-kutatásban: Nagy Dávid (ATOMKI), Bécsy Bence (ELTE), Molnár József (ATMOKI), Dálya Gergely (ELTE), Fenyvesi Edit (ATOMKI), Gondán László, Raffai Péter, Frei Zsolt, Szölgyén Ákos (ELTE)

Milyen újdonságokra számíthatunk még?

A LIGO-val négyféle típusú jelet keresünk. Az egyik ̶ az előbb említett ̶ úgynevezett kompakt, összeolvadó objektumoké, mint amilyen például két fekete lyuk. A másik az úgynevezett kitörésjellegű gravitációs hullámoké. Sejtésünk szerint egy szupernóva-jelenséget - a gyorsan szétfröccsenő anyagdarabok miatt - követhet ilyen típusú hullámzás. Ezenkívül számítunk ismétlődő jelekre, melyek sokkal hosszabb távon mutatnak periodikusságot, mint két összeolvadó fekete lyuk. Ilyen lehet egy pulzár, amely nem teljesen gömbszerű. Az objektum gyors forgása miatt a szimmetrikus része ugyan nem, de a felszínén lévő „dudor" kelthet gravitációs hullámokat. A negyedik „mintázat", amit keresünk, az úgynevezett sztochasztikus, véletlenszerű hullámháttér. Úgy gondoljuk, az ősrobbanás után bekövetkező infláció is ilyen jelet hagyott maga után.

Már lehetett hallani az európai Einstein teleszkópról, mely egy harmadik generációs hullámdetektor. A Mátra is a lehetséges építési helyszínek között van. Mit lehet tudni erről a programról?

Míg a mostani műszereink a hullámok kimutatására, igazolására szolgálnak, addig a harmadik generációs teleszkópok már arra az időszakra készülnek majd, amikor tényleges asztrofizikai megfigyelésekre tudjuk használni a műszereinket. Úgy jó tíz év múlva valószínűleg kontinentális alapon fog szerveződni az építésük. Az európai „Einstein teleszkóp" lehetséges helyszíneinek száma mára háromra csökkent, ha csak a szeizmológiai háttérzajfelméréseket nézzük, melyek közül a Mátra az egyik. Jelenleg azonban még a tervekre sem jut elég pénz, hiszen először arra lenne szükség, hogy egyáltalán bebizonyítsuk, valóban léteznek a keresett hullámok. Ha ez megtörténik, akkor lesz érdemes időt és energiát áldozni egy újabb műszer tervezésére és építésére.

A LISA koncepciója Forrás: NASA

Eddig csak a földfelszínről próbáltuk megfigyelni ezt a jelenséget, de van egy elképzelés, miszerint az űrbe is telepítenének egy hullámdetektort. Ez hatékonyabb, könnyebben megoldható módszer lenne a téridő hullámainak igazolására?

Az űrbe más okokból érdemes ilyen műszereket telepíteni. A LISA (Laser Interferometer Space Antenna) projekt keretében három műholdat szeretnének felbocsátani a világűrbe, melyek háromszög alakban helyezkednének el, egymástól 5 millió kilométerre. A műholdak ̶ ugyanúgy, mint a földi interferométerek ̶ lézerfényt bocsátanának egymás felé, melyet 1 méteres tükrökkel fognának fel. Mivel a karok hossza meghatározza, hogy a műszer milyen hullámhosszúságú gravitációs hullámra érzékeny, egy űrbe telepített eszköznél a hatalmas távolság miatt a kutatóknak sokkal hosszabb hullámhosszúságú hullámok megfigyelésére nyílna lehetőségük, olyanokéra, amilyeneket a galaxisok közepén lévő szupernehéz fekete lyukak összeolvadásakor várunk. Az ún. LISA-Pathfinder űrszonda néhány hete indult útjára, és arra hivatott, hogy a technológiai lehetőséget demonstrálja.

Gravitációs hullámok és égboltfelmérés

Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető egyetemi tanára kutatócsoportjával 2012-ben nyert támogatást a Magyar Tudományos Akadémia Lendület-pályázatán. A gravitációs hullámok kimutatásával, a világegyetem Tejútrendszeren kívüli objektumaival és kozmológiával foglalkozó MTA-ELTE Lendület Asztrofizikai Kutatócsoport egyik legfontosabb projektje az amerikai LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) program.

A gravitációs hullámok megfigyelését végző obszervatórium kutatásához még 2007-ben csatlakozott a csoport, Lendület-pályázatnak köszönhetően pedig további öt évig (2017-ig) vehetnek részt a projektben. A hat tagot számláló csapat a gravitációs hullámok kutatásán kívül több nemzetközi égboltfelmérési programban is közreműködik. A Teller Ede Pályázat keretében nyert támogatásnak köszönhetően tagjai a Panoramic Survey Telescope and Rapid Response Systemnek (Pan-STARRS), a Kutatási és Technológiai Innovációs Alapból elnyert összegnek köszönhetően pedig részt vehetnek a jelenleg tervezett legnagyobb égboltfelmérési programban, az LSST-ben (Large Synoptic Survey Telescope).

További információ

Frei Zsolt asztrofizikus

frei@alcyone.elte.hu

+36 1 372 2767