Fizikai Nobel-díj a gravitációs hullámokért

Rainer Weiss szakterülete a gravitációs fizika és az asztrofizika. Ő dolgozta ki a gravitációshullám-detektálás alapjául szolgáló lézer-interferometriás mérési módszer alapjait. Másik nagy kutatási területe a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, ennek kapcsán tudományos tanácsadóként részt vett a NASA mikrohullámú háttérsugárzást vizsgáló COBE műholdjának tervezésében.

Barry C. Barish kísérleti fizikus, a gravitációs hullámok vezető szakértője. Az amerikai LIGO gravitációshullám-obszervatórium kutatásvezetőjeként, majd igazgatójaként, a LIGO Scientific Collaboration alapítójaként mindenki másnál többet tett a gravitációs hullámok észlelésének gyakorlati megvalósulásáért. A gravitációs hullámok vizsgálata mellett számos nagyívű kísérleti részecskefizikai projekt űződik a nevéhez.

Kip S. Thorne a gravitációs fizika és asztrofizika tudományterületének egyik legismertebb alakja, aki egyebek mellett a gravitációs hullámok detektálásának elméleti alapjaival, a hullámok várható jelalakjaival és erősségével foglalkozott. Jelentős kutatói tevékenysége mellett ismert tudományos ismeretterjesztő szerző is, és a fekete lyukak fizikájának egyik legavatottabb szakértőjeként ott volt a Csillagok között című film forgatókönyvének írásánál.

A díj összegének felét Rainer Weiss, negyed-negyedrészét pedig Barry C. Barish és Kip S. Thorne kapta.

Forrás: nobelprize.org/Niklas Elmehed

Röviden a gravitációs hullámokról

A gravitációs hullámok létét Einstein általános relativitáselmélete már egy évszázada megjósolta. A fizikusoknak azonban egészen 2015 szeptemberéig kellett várniuk, míg az elméletet megfigyelés is bizonyította: két közepes tömegű fekete lyuk összeolvadásának gravitációs jelét észlelte az akkor pár napja beindított LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory – lézer-interferométeres gravitációshullám-obszervatórium) két amerikai detektora. A nagy hírről a szélesebb nyilvánosság 2016 februárjában – az adatok akkurátus ellenőrzése után – értesülhetett, erről az mta.hu is részletes cikkben számolt be.

A gravitációs hullámokról részletesebben Frei Zsolttal készített interjúnkban lehet olvasni, azonban a lényeg dióhéjban így foglalható össze: az általános relativitáselmélet szerint a tömeggel rendelkező testek (így a bolygók, csillagok vagy épp a fekete lyukak) meggörbítik maguk körül a téridőt – mintha csak egy gumilepedőre különféle méretű golyókat helyeznénk. Ha valamilyen esemény, például két fekete lyuk kataklizmikus összeolvadása megrezgeti ezt a „gumilepedőt”, a rezgések hullámként terjednek tovább. Ezek a gravitációs hullámok, és ezek egyike érte el a Földet 2015 szeptemberében.

ELTE-s és szegedi kutatók az új típusú csillagászat kezdeteinél

A LIGO Scientific Collaboration (LSC) jelentős magyar részvétellel zajlik. A Frei Zsolt vezetésével működő MTA-ELTE Extragalaktikus Asztrofizikai Kutatócsoport tagjai részt vettek a detektorok műszereinek fejlesztésében, de az adatok kiértékelésében is komoly szerepet játszanak, mind a detektorállomásokon, mind a távolból. Forrásmodellező munkájukkal és a jelkereső program fejlesztésével segítenek a gravitációshullám-jelek észlelési és kiértékelési hatékonyságának növelésében. Emellett az ELTE-s kutatók készítették azt a galaxiskatalógust is, melyet az LSC a lehetséges gravitációshullám-források azonosítására használ.

A LIGO adatainak elemzésében két szegedi kutató is részt vesz – Gergely Árpád László és Tápai Márton a Szegedi Tudományegyetemen a forgó fekete lyukak összeolvadásakor keletkező gravitációs hullámok jellemzésével és az ezek megtalálásához szükséges forráskódok programozásával foglalkozik.

A gravitációs hullámok detektálása nem annyira a modern fizika, sokkal inkább a mérnöki tudomány csúcsteljesítménye, hiszen a téridő apró fodrozódásait ügyesen összeállított lézerrendszerrel lehet kimutatni, melyet minden másnál jobban kell óvni a környezet nemkívánatos rezgéseitől. A detektálás nehézségeiről és a lézerrendszer felépítéséről szintén korábbi interjúnk számol be részletesebben.

Röviden: a detektorok két, egymásra merőleges, négy kilométer hosszú „karból” állnak, melyek végei között lézersugarak cikáznak. A beérkező gravitációs hullám kis mértékben torzítja a teret (ahogy korábbi példánkban kinyúlik és összehúzódik a gumilepedő), így a karok hossza egy rövid időre egy leheletnyit megváltozik. Ezt az igen kicsiny – jellemzően a proton méretének ezredrésze nagyságrendű – változást érzékeli a karokban futó lézerrendszer.

Az észlelt jelek alakjából igen sokat meg lehet tudni arról, milyen folyamat hozta létre a gravitációs hullámot. Időközben a LIGO detektorai egy második és egy harmadik gravitációs hullámot is észleltek, ami végérvényesen bebizonyította, hogy az efféle jeleket kibocsátó csillagászati események nem is olyan ritkák, így a gravitációs hullámok detektálása a csillagászat új, az elektromágneses sugárzástól független ágává vált.

Elindult az európai detektor is, magyarokkal a fedélzeten

A napokban az olaszországi gravitációshullám-detektor, a Virgo is szállította első észlelését, így már három, egymástól független és elég távoli detektor figyeli az eget, ami a források viszonylag pontos helymeghatározását is lehetővé teszi.

A Virgo munkájában az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Csoportja is részt vesz. A magyar fizikusok elméleti kutatásokat és kísérleteket is végeznek (a Mátrai Gravitációs és Geofizikai Laboratóriumban), emellett részt vesznek az adatelemzéshez használt számítástechnikai eljárások és algoritmusok fejlesztésében, a grafikus processzorok, GPU-k alkalmazásában.

Sínen van egy űrbe telepített gravitációshullám-detektor, a LISA tervezése is, amitől azt várják a kutatók, hogy az eddigiektől eltérő típusú forrásokat is kimutat majd. Itt, a Földön pedig abban reménykednek a csillagászok, hogy a detektorrendszer olyan égi esemény gravitációs jelét is észleli majd, amely – ellentétben a fekete lyukak összeolvadásával – az elektromágneses spektrumban is hírt ad magáról.