A térségből csak mi vadászunk a rejtélyes gravitációs hullámokra

Az Ősrobbanás feltételezhetően gravitációs hullámok háttersugárzását is létrehozta, amelyek a téridő finom torzulásaiként ma is kitöltik a világűrt, és információt hordoznak az Univerzum legkorábbi állapotáról. Hamarosan egy hazai fejlesztésű műszer, egy infrahang-mikrofon is közreműködik a rájuk való vadászatban.

A detektorok üzemeltetését és az adatok kiértékelését a LIGO Scientific Collaboration (LSC) végzi, amelynek több tucat kutatócsoport és mintegy 700 szakember a tagja, közöttük az ELTE-n alapított Eötvös Gravity Research Group (EGRG) is. Itt dolgozik Frei Zsolt, Gelencsér Gábor, Márton Ákos, Raffai Péter, Szerifert Gábor és Szokoly Gyula, akiknek a munkáját az Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal támogatja. Tevékenységükről a korábban említett Nature cikk kapcsán tartottak sajtótájékoztatót a közelmúltban az Eötvös Loránd Tudományegyetemen (ELTE).

A kutatócsoport olyan különleges, a gravitációs hullámok kimutatásánál is használható mérőberendezést (infrahang-mikrofont) fejlesztett, amely elősegíti az Univerzum korai szakaszából, az Ősrobbanásból származó jelek érzékelését. A mikrofon prototípusát már ki is próbálták a hannoveri GEO obszervatóriumban, és jelenleg a sorozatgyártást készítik elő az ELTE-n. A berendezés része lesz a 2014-ben induló Advanced LIGO nevű nagyszabású megfigyelőprogramnak.

ForrA!s: NASA

Szimuláció két fekete lyuk összeolvadásakor keletkező gravitációs hullámokról (NASA)

A műszer célja legalább 1 mPa mértékű nyomásváltozás érzékelése (ez egy halk suttogás által létrehozott nyomáskülönbséghez közeli) az 1 mHz és 100 Hz közötti frekvenciatartományban. A detektorban csekély referencianyomáshoz képest mérik a külső nyomás változását, így a differenciális méréssel nagy érzékenységet lehet elérni. A szenzor lényegében egy kondenzátormikrofon, amihez egyedi kiolvasási eljárást dolgoztak ki, saját fejlesztésű és építésű elektronikával.

A LIGO jövőjéről és Magyarország lehetséges szerepéről a programban Frei Zsoltot kérdeztük.

Mikor lép üzembe a magyar infrahang-mikrofon?
A LIGO-t jelenleg átépítik, aminek révén idén őszre a mainak közel kétszeresére nő az érzékenysége. De addig mi is részt veszünk a mérésekben, idén ősszel két hétig fogunk dolgozni az USA-ban a nagy detektorral. A továbbiakban újabb fejlesztések lesznek, amelyek tízszeresére növelik az érzékenységet, és a mikrofon csak ekkor, 2014 körül fog üzembe állni. Összesen közel két tucatot készítünk belőlük, amelyeket az alagutakban körülbelül 1 kilométerenként helyezünk majd el.

Miért lenne fontos a gravitációs hullámok kimutatása az elméleti fizika szempontjából?
Ez fontos igazolása lenne az Einstein-féle relativitáselméletnek, amely előre jelezte a gravitációs hullámokat - de eddig megfigyelni még nem sikerült azokat. Ez a LIGO célja.

1987-ben egy szupernóva robbant a közeli Nagy Magellán-felhőben. Ha akkor létezett volna a LIGO a mai formájában, kimutatta volna a robbanás gravitációs hullámait?
Igen, kimutatta volna. A jelenlegi érzékenység mellett közel 10 megaparszek, körülbelül 33 millió fényév távolságig tudnánk észlelni egy szupernóva-robbanást, ami tízszerese az Androméda-galaxis távolságának. Zavartalan viszonyok esetén tehát már ma is ki tudnánk mutatni a Magellán-felhőnél lényegesen távolabbi robbanás gravitációs hullámát. Öt év múlva már az Androméda-galaxisnál közel 100-szor messzebb robbanó szupernóva gravitációs hullámait is észlelni tudjuk majd.

Kutatócsoportjuk gyakorlati asztrofizikai megfigyelésekre is használni kívánja majd a LIGO-t. Mit lehetne így vizsgálni?

Forrás: [origo]

Elsősorban fekete lyukak, neutroncsillagok kölcsönhatása, összeolvadása és szupernóva-robbanások kataklizmája lenne vizsgálható. A mainál érzékenyebb és 2014-től üzemelő LIGO célpontjai főleg naptömegű objektumok lesznek - a távoli szuper-nagytömegű fekete lyukak összeolvadását a még hosszabb detektorokból álló űrbeli változat, a LISA lesz képes csak megfigyelni. De a közeli galaxisok vizsgálata is számtalan eredményt adhat. Az optikai, rádió, infravörös, ultraibolya és egyéb távcsövek mind az elektromágneses spektrum eltérő részein működnek.

A gravitációs észlelések nem az elektromágneses sugárzást elemeznék, és ezzel új területet nyithatnának a csillagászatban. Ugyanakkor együtt is működhetnek a klasszikus műszerekkel: egy távoli szupernóva-robbanás gravitációs hullámát korábban észlelhetjük, mint a fényét - előre megmondhatjuk majd, hova kell nézni a hagyományos távcsővel, hogy egy szupernóvát lássunk.

Hazai kutatások

A szakemberek a műszer fejlesztésén túl részt vesznek a mérésekben és az adatok feldolgozásában is. A csoport lényeges hozzájárulását elismerve a LIGO és a Virgo együttműködés ezévi közös európai nagy konferenciáját az ELTE-n tartja, 2009 szeptember 19. és 24. között.

Frei és csoportja nemcsak a mérési eredmények kiértékelésével, de a gravitációs hullámok asztrofizikai alkalmazásával is foglalkozik. Véletlen időbeli egybeesés, hogy ugyancsak augusztus 20-án jelent meg az amerikai Astrophysical Journal-ban a Lippai Zoltán, Frei Zsolt és Haiman Zoltán által írott, a távoli kvazárok fényességével foglalkozó cikke, amelynek konklúziója, hogy a kvazárok fizikájának pontos megértéséhez nem elegendőek az optikai megfigyelések, az ütközéseikből származó gravitációs hullámok közvetlen észlelésésre is szükség lenne.

További hazai vonatkozású eredmény, hogy Kocsis Bence idén bekerült a NASA azon 10 idei fiatal ösztöndíjasa közé, akik támogatott formában végezhetik kutatásukat három éven át az Egyesült Államok valamelyik egyetemén. A szakember a Frei Zsolt által vezetett Eotvos International School in Astrophysics nevű hazai csoportban dolgozik. Munkája keretében nemrég sikerült rámutatnia, hogy a nagy galaxisok ütközésekor kialakuló szuper-nagytömegű fekete lyuk párosok mozgásakor olyan gravitációs hullámok keletkeznek, amelyek segítségével az ütközések előre is jelezhetők.