• Tudomány

Új korszakot indít el a gravitációs hullámok felfedezése

Maga Einstein sem hitte, hogy a jövőben igazolják majd elméletét a gravitációs hullámokról: ehhez végül kicsit több mint száz év és ezer tudós kellett. Közvetett bizonyítékokat már korábban is találtak a kutatók, most azonban sikerült az erre a célra tervezett műszerekkel közvetlenül is észlelni a gravitációs hullámokat, amelyeket két, a Földtől 1,2 milliárd fényév távolságra lévő fekete lyuk összeütközése okozott. A felfedezés tudományos jelentősége óriási, mert új, eddig elképzelhetetlen távlatokat nyit meg az asztrofizikában.

Egy megfigyelés – három soha nem látott eredményÉvek óta több mint ezer – köztük több magyar – tudós dolgozott azon a világ számos országából, hogy kifejlesszék és tökéletesítsék a műszereket, amellyel lehetővé válhat a gravitációs hullámok észlelése, amelyre szeptember 14-én került sor. A bejelentést viszont csak most tudták megtenni a projektben résztvevő tudósok, ugyanis ennyi időbe telt ellenőrizni, hogy valóban gravitációs hullámokat találtak-e.

A felfedezéssel új eszköz került a fizikusok és a csillagászok kezébe az univerzum feltérképezésére: eddig a megfigyeléséket csak elektromágneses sugárzáson – ilyen például fény és rádióhullámok – alapuló módszerekkel végezhették, viszont ennek megvannak a korlátai. Látni nem lehet mindent, többek között a fekete lyukakat sem, amelyekben olyan erős a gravitáció, hogy még a fény sem tudja elhagyni őket. A gravitációs hullámok viszont mindenen áthatolnak, így teljesen új, más módon nem elérhető információkat nyerhetünk a segítségükkel a világegyetem felfoghatatlanul távoli pontjairól.

A szeptember 14-i eredmények tehát mérföldkövet jelentenek a tudományban, ráadásul nem egy, hanem mindjárt három világraszóló eredmény is rejlik bennük:

  • közvetlenül igazolták Einstein relativitáselméletének egyik legfőbb előrejelzését, a gravitációs hullámok létezését
  • most először tudtak közvetlenül megfigyelni egy feketelyuk-párt
  • a két fekete lyuk összeolvadásával 4500-szor több energia szabadult fel, mint amit a Nap egész élete során (kb. 10 milliárd év alatt) kisugároz, ilyen nagy energiájú folyamatot még soha nem észleltek a természetben.

Magyar részről a 2007-ben létrejött Eötvös Gravity Research Group is részt vett a kutatásban, a csoport vezetője, Frei Zsolt a Faktornak azt mondta, hogy szakmai körökben már most nagyon pozitív a visszhangja a felfedezésnek, amely „alapvetően fogja meghatározni az asztrofizikát”. Frei szerint az új módszerrel sokkal jobb képet kaphatunk a jövőben az univerzum keletkezéséről és fejlődéséről.

Neutroncsillagok által keltett gravitációs hullámok a NASA illusztrációján (forrás: nasa.gov/R. Hurt/Caltech-JPL)

Neutroncsillagok által keltett gravitációs hullámok a NASA illusztrációján (forrás: nasa.gov/R. Hurt/Caltech-JPL)

Einstein sem hitte, hogy ilyen fejlettségi szintre jut a tudomány és a technikaA gravitációs hullámok a téridő szövetének fodrozódásai, amelyeket Einstein 1915-ben publikált relativitáselméletében már leírt. Számításokkal igazolta, hogy a nagy tömegű dolgok együttes mozgása – például a most észlelt két fekete lyuk kölcsönhatása – megrezgeti a térhálót, hol megnyújtva, hol összenyomva azt. Ezt hívjuk gravitációs hullámnak, amely képes utazni az univerzumon keresztül.

Képzeljük el, hogy a tér egy háló, amelyre ha a ráhelyezünk valamit, annak tömege benyomja a hálót. Minél nagyobb tömegű dolgot helyezünk rá, a benyomódás annál nagyobb lesz, azaz a gravitáció annál jobban eltorzítja a teret. Ez okozza a bolygók keringését is a Nap körül: a Nap tömege eltorzítja a teret, a bolygókat pedig valójában nem egy erő vonzza, hogy körkörös pályára álljanak, hanem a tér torzulása kényszeríti őket erre. Gravitációs hullámok akkor keletkeznek, ha a tömegek gyorsulnak, folyamatosan megváltoztatva ezzel a tér torzulását, amely hullámokat idéz elő.

Az alábbi videó, amelyhez az ELTE fizikusai készítették a feliratot, közérthetően megmagyarázza a gravitációs hullámok jelenségét:

Minden, aminek tömege van, képes gravitációs hullámokat létrehozni, a gravitáció azonban nem annyira erős, ezért hatalmas tömegű és gyorsan mozgó dolgokra van szükség, hogy a hullámok által okozott tértorzulásokat érzékelni lehessen. De még így is olyan kicsi, 10-21-en nagyságrendű változásokról van szó, hogy Einstein száz évvel ezelőtt nem gondolta volna, hogy valaha képessé válik a technológia ezek megmérésére.

Habár közvetett bizonyítékokat találtak már a gravitációs hullámok létezésére korábban is, most először sikerült a tudósoknak az erre a célra épített obszervatóriumokban közvetlenül is érzékelni őket.

A hullámok észlelését az Egyesült Államokbeli LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) detektorai végezték, amelyet úgy alkottak meg, hogy lézerek segítségével képes legyen a gravitációs hullámok által okozott elképzelhetetlenül kis térbeli változásokat is észlelni. A műszerek fejlesztése és tökéletesítése több mint húsz évig tartott.

A LIGO hanfordi obszervatóriumának légifotója (fotó: ligo.org)

A LIGO hanfordi obszervatóriumának légifotója (fotó: ligo.org)

A gravitációs hullámok észlelése az úgynevezett lézer interferométeres obszervatóriumban történt, amely két, egymásra merőleges, hosszú vákuumcsőből és egy ehhez kapcsolódó detektorépületből áll. Ennek köszönheti az L alakú kialakítását: az L szárait, a vákuumcsöveket, karoknak nevezik. Az obszervatóirumban egy lézernyalábot bocsátanak ki, amelyet kettéosztanak a két karba, így a lézersugár mindkét irányban ugyanakkora távolságot tesz meg, jelen esetben négy kilométert. A karok végén egy-egy tükör van, amely visszairányítja a lézert. A visszaérkező nyalábok ugyanoda érkeznek, és mikor találkoznak, kioltják egymást, így a kutatók semmit nem érzékelnek a műszer végében felállított fénydetektorban. Abban az esetben viszont, ha egy gravitációs hullám eléri obszervatóriumot, megnyújtja az egyik, és csökkenti a másik irányba azt a távolságot, amelyet a lézernek meg kell tennie a két karban. Ezzel minimális mértékben megváltozik a két visszavert lézersugár hullámhossza, így már nem képesek teljesen kioltani egymást, ezt pedig a fénydetektor érzékeli.

Mivel nagyon kis változásokról van szó, a detektorokat nagy érzékennyé kellett tenni, hogy a legfinomabb eltéréseket is észlelni tudják. Ez viszont azt a problémát hordozza magában, hogy nagyon sok minden bezavarhat a mérésbe, gravitációs hullámok hatása olyan kismértékű, hogy még a háttérzajjal is összetéveszthető. Azaz hiába építik az obszervatóriumot bármilyen elhagyatott vidékre, a tenger hullámzása vagy akár a távolban elhaladó autó is bezavarhat az észlelésbe. Ezt úgy tudták kiküszöbölni a kutatók, hogy két obszervatóriumban is készítettek méréseket egyszerre, amelyek egymástól 3000 kilométer távolságban vannak: az egyik a lousianai Livingstonban, a másik pedig a Washington állambeli Hanfordban. Mindkét helyszínen ugyanazt kell észlelni egyidőben ahhoz, hogy érvényesnek tekinthessék a kutatók a felfogott jelet. Emellett egy sajátos keresőprogramot használtak: az észlelt jeleket összevetették azzal, amilyennek előzetesen modellezték a gravitációs hullámokat.  

A Caltech és MIT egyetemek 1992-ben kapták meg a pénzt arra, hogy kezdjék el fejleszteni és építeni az obszervatóriumokat, amelyek 2000-ig épültek, utána kezdődhettek meg a mérések.

Réges-régen, egy messzi-messzi galaxisban történt az esemény, amelynek hatásait érzékeltékAz obszervatóriumok korábban már évekig működtek észlelés nélkül, ezért a kutatók rengeteg fejlesztéssel érzékenyebbé tették a két detektort, és 2015. szeptember 18-án újraindították az éles megfigyelést. A hivatalos újraindítás előtt viszont már tesztüzemben működtek a detektorok, ezért sikerült már szeptember 14-én érzékelni a hullámokat, amely a kutatók szerint két fekete lyuk összeolvadásának utolsó tizedmásodperceiben keletkeztek.

A két fekete lyuk az utólagos beazonosítás szerint a Földtől 1,2 milliárd fényév távolságban lévő galaxisban volt. Évmilliókig kerülgették egymást egyre közelebb és közelebb kerülve, hogy azután a másodperc tört része alatt összeolvadjanak, akkora energiát felszabadítva ezzel, amekkorát korábban soha nem észleltek. Az eredeti fekete lyukak tömege 29, illetve 36 naptömeg volt (ennyivel voltak nagyobb tömegűek a napnál), az összeolvadásukból azonban csak egy 62 naptömegű objektum keletkezett. Ebből az következik, hogy 3 naptömegnyi anyag alakult energiává rendkívül rövid idő alatt. A felszabadult energia 4500-szor több, mint amit a Nap kb. 10 milliárd évig tartó élete során összesen kisugároz. A tudósok még soha nem tudtak ekkora energiájú eseményt észlelni a csillagászat történetében.

A NASA illusztrációja a kettős fekete lyukakról (forrás: nasa.org)

A NASA illusztrációja a kettős fekete lyukakról (forrás: nasa.org)

Az észlelés után hónapokba telt, mire ellenőrizték az eredményeket, és ismertetni lehetett őket. Közben azonban már napvilágra került, hogy valószínűleg gravitációs hullámokat sikerült beazonosítani, pedig a kutatás vezetői óvintézkedéseket is bevezettek, hogy ezt elkerüljék. Bizonyos időközönként hamis gravitációshullám-jeleket küldtek a műszereknek, amivel egyrészt tesztelték az észlelés működését, másrészt össze is zavarták a kutatókat, akik soha nem tudhatták, hogy valódi vagy mesterségesen kreált jellel van dolguk. A zavaró jeleket azonban csak szeptember 18-a után, azaz a hivatalos üzem elkezdésekor kezdték el használni, az észlelés pedig már 14-én megtörtént. Így a kutatók tudhatták, hogy tényleg találtak valamit, és ezt valaki kiszivárogtatta. Ezért már hónapok óta azzal a felfedezéssel foglalkozott a tudományos világ, amit hivatalosan csak tegnap jelentettek be. Azóta elérhető a magyar nyelvű információs oldal is, amelyet ide kattintva nézhet meg.

A LIGO kutatói munkában (fotó: ligo.org)

A LIGO kutatói munkában (fotó: ligo.org)

Magyar tudósok is fontos szerepet játszottak a felfedezésbenAz obszervatóriumok üzemeltetését az 1997-ben létrejött LIGO Tudományos Együttműködés (LIGO Scientific Collaboration, LSC) végzi, amelynek a székhelye az Egyesült Államokban van. A program finanszírozásához több mint 1 milliárd dollárra volt szükség, amelyet az amerikai Nemzeti Tudományos Alap (National Science Foundation, NSF) biztosított A kutatás azonban nemzetközi: ezernél is több tudós vett már részt benne 83 intézményből és 15 országból. Az LSC munkájához magyar részről 2007-ben csatlakozott az Eötvös Research Group járult hozzá leginkább, amely az ELTE és debreceni ATOMKI összefogásában jött létre. Frei Zsolt elmondta, hogy a kutatócsoport teljes jogú tagja az együttműködésnek, és az obszervatóriumokban zajló tudományos munka teljes spektrumában részt vesz. A tagok inframikrofonokat fejlesztettek és építettek be az obszervatóriumokban a zajszint csökkentésére, közreműködtek a helyszínen és a Budapestről is a mérésekben, adatkiértékelő és jelkereső szoftvert fejlesztették, és azt is tanulmányozzák, hogy milyen forrásai lehetnek a gravitációs hullámoknak. Munkájukat a Szegedi Tudományegyetem gravitációs hullámmal foglalkozó kutatócsoportja és az MTA is támogatta.

A Faktor kérdésére Frei Zsolt azt mondta, hogy a következő években még tovább szeretnék finomítani a műszerek működését, és növelni az érzékenységét. A cél az, hogy rendszeresen tudjanak gravitációs hullámokat érzékelni.

Ha elérünk ide néhány éven belül, akkor csillagászati obszervatóriumként fogjuk használni.  Beköszönt a gravitációshullám-asztrofizika korszaka, és akkor egy rakás olyan új kérdést meg tudunk majd válaszolni, amit eddig nem volt módunkban

- mondta Frei Zsolt.

Top 0