Gravitációs hullámok: egyszerre három világraszóló felfedezés a fizikában

Felfedezték a Az MTA Székházában 2016. február 11-én tartott sajtótájékoztató képei ide kattintva tekinthetők meg.gravitációs hullámokat. Az egyszerű mondat mögött egy százéves elmélet, több évtizedes műszerfejlesztés és több mint egymilliárd dolláros befektetés áll. A világegyetem jobb megértését segítő, alapvető eredmény született a tudományban, az alapkutatás látványos sikeréről van szó.

A felfedezést a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) elnevezésű nemzetközi tudományos együttműködés tette. A LIGO mindkét gravitációshullám-detektora ugyanabban az időpontban ugyanazt a jelet érzékelte (24-es jel/zaj szinttel). A detektorok érzékenységét 2015-ben jelentősen megnövelték, és azok szinte azonnal érzékelték a jelet 2015 szeptemberében.

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

A gravitációs hullámok megfigyelése új ablakot nyit a világegyetemre: korábban soha nem látott eseményeket figyelhetünk meg. Ezt már a mostani adatok is fényesen bizonyítják.

Háromezer szupernóva energiája

A detektorok által érzékelt gravitációs hullámok forrása két fekete lyuk összeütközése és összeolvadása volt egy a Földtől 1,2 milliárd fényévnyire lévő galaxisban. Az eredeti fekete lyukak tömege 29, illetve 36 naptömeg volt, az összeolvadásukkal keletkezett objektumé azonban csak 62 naptömeg.

Ez azt jelenti, hogy 3 naptömegnyi anyag alakult energiává, méghozzá a másodperc törtrésze alatt. Az eseményben felszabadult energia háromezer tipikus szupernóva-robbanás energiájával egyenlő, vagy egy másik hasonlattal: 4500-szor több, mint amit a Nap egész élete során (kb. 10 milliárd év alatt) kisugároz. Ezzel ez a legnagyobb energiájú észlelt esemény a csillagászat történetében.

Ez az ábra a LIGO és a VIRGO együttműködéseknek a Physical Review Lettersben most megjelentetett cikkéből származik, és azt mutatja, hogy a LIGO két detektora az amerikai Hanfordban (balra) és Livingstonban (jobbra) pontosan milyen jelet észlelt 2015. szeptember 14-én. A legfelső sorban a nyers jelek vannak (pirossal a hanfordi, kékkel a livingstoni), alattuk a zajtól megtisztított jel látható, azután külön a zaj. Az alsó sorban a jelek spektruma látható frekvencia-idő ábrán. A jobb felső ábrán a livingstoni és hanfordi jelek együtt látszanak, 6,9 ezredmásodperc eltolással egymáson, ennyi volt ugyanis a két érkezési idő közötti különbség. A második sorban lévő, „tiszta” jelekre szürke sávval rá van rajzolva a két összeolvadó fekete lyuk által keltett, várható, elméleti úton számított jelalak. Megdöbbentő az egyezés!

Fekete lyukak őrült tánca

Az esemény alaposan „megrázta” a téridőt, és a gigantikus mennyiségű energiát gravitációs hullámok szállították el (a forrásnak nincs elektromágneses sugárzást kibocsátó párja). Az észlelt hullámok jellemzőiből az is kiolvasható, hogy a két fekete lyuk összeolvadása drámaian gyors folyamat volt. Miután évmilliókig kerülgették egymást, az utolsó nyolc keringést mindössze 0,2 másodperc alatt tették meg, a legutolsó keringésre pedig már csak 1/150 másodperc kellett. Az összeolvadás pillanata előtt, az eseményhorizontok találkozásánál a két objektum távolsága 210 kilométer volt.

Itt a felső sorban a két fekete lyuk összeolvadásának három fázisa látható: az egymás körüli keringés, az összeolvadás pillanata és a „lecsengés” folyamata, amikor az egyesült fekete lyuk még nem teljesen gömbszerű, és még bocsát ki gravitációs hullámokat. A második sorban a jelalak látszik, az alsó részen pedig a két fekete lyuk távolsága (csökkenő szürke vonallal, a fekete lyukak sugarának mértékében), illetve sebessége (növekvő zöld vonal, a fénysebesség mértékegységében).

Magyar részvétel

Az eredményekhez magyar kutatók is hozzájárultak, mint ahogyan ez sok más tudományterületen is gyakori. Több magyar kutatócsoport is része a LIGO Tudományos Együttműködésnek, amely a felfedezést tette. A hazai munka oroszlánrészét a Frei Zsolt által irányított, 2007-ben létrejött Eötvös Gravity Research Group kutatócsoport végezte, amelyben akadémiai és egyetemi kutatók is dolgoznak, és amelynek működését az MTA, az NKFIH, az ELTE, a Szegedi Tudományegyetem és az MTA Atomki is támogatta. A csoport működéséről itt olvashat részletesen.

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)

Ugyancsak meg kell említeni az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontot, amelynek munkatársai nem közvetlenül a LIGO, hanem a közös LIGO-VIRGO adatfeldolgozásban vettek részt. A magyar kutatók részvételéről a hivatalos A hivatalos sajtóanyag erre a széljegyzetre kattintva tölthető le PDF formátumban.sajtóanyagban olvashat részleteket.

Új ablak nyílt az univerzumra

Frei Zsolt, az Eötvös Gravity Research Group vezetője az mta.hu-nak elmondta: a mostani bejelentésben legalább három világraszóló felfedezés rejlik. Először is végre direkt módon érzékeltük a gravitációs hullámokat. Másodszor: először van közvetlen megfigyelésünk arról, hogy feketelyuk-párok valóban léteznek, és belátható időn belül össze is olvadnak. Végül a természetben ilyen nagy energiájú folyamatot korábban még soha nem észleltünk.

„Asztrofizikusként bizakodva nézek a jövőbe, amikor rendszeresen tudunk majd ilyen gravitációs hullámokat észlelni és az új eszközzel asztrofizikai megfigyeléseket végezni. Új ablakot nyitottunk az univerzumra, hiszen eddig csak az elektromágneses kölcsönhatás alapján figyelhettük meg az eget – ugyanis a fény, de a rádióhullámok vagy a röntgensugárzás is ennek különböző megnyilvánulási formái. Mostantól olyan jelenségeket is észlelünk majd, amelyeket elektromágneses alapon nem lehetett megfigyelni, mint amilyen a fekete lyukak összeolvadása” – mondta el a szakember.

Frei Zsolt hangsúlyozta: nagy öröm számára, hogy magyar kutatók is hozzájárultak a LIGO működéséhez. „Kiemelném Raffai Péter kollégámat az ELTE-ről, aki az adatfeldolgozási munkát irányítja csoportunkban, vagy Gergely Lászlót, aki a Szegedi Tudományegyetemen a mi csoportunktól különválva nemrégen önálló csoportot alakított, és az összeolvadó fekete lyukak által keltett jelformákat tanulmányozza. Az MTA Atomki kutatói segítettek a detektor fejlesztésében, és jelentős az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Vasúth Mátyás által vezetett kutatócsoportjának hozzájárulása is az európai VIRGO detektor működtetéséhez” – mondta.