A gravitációs hullámok hátán már a jövőbe tekint az Európai Űrügynökség

A gravitációs hullámok léte tudományos bizonyossággá vált

A napokban különösen kiemelkedő kutatási eredmények születtek a gravitációs hullámok első, sikeres detektálásával a LIGO, földi mérőrendszer segítségével. a A tudományos közösség azonban már a jövőbe tekint; az Európai Űrügynökség a gravitációs hullámok még részletesebb vizsgálatát megvalósító küldetést készít elő. De vajon miért is jár előnyökkel, ha a világűrből próbáljuk detektálni a gravitációs hullámokat?

A gravitációs hullámok detektálása a földön

A relativitáselmélet megjósolja, hogy különösen nagytömegű objektumok bizonyos (aszimmetrikus) mozgásai sorána téridőben mérhető fodrozódások keletkeznek, éppen úgy, ahogyan a vízfelszínen is fodrozódás indul meg, ha egy kavicsot dobunk bele. Azonban a téridő fodrozódásai egészen más természetűek, mint amit a vízfelszínen tapasztalhatunk.

A gravitációs hullámok léte tudományos bizonyossággá vált Forrás: NASA

Ezek a távolság és időmérést befolyásoló fodrozódások,

egyfajta hullámok, amelyek végigutaznak az Univerzumon és a téridő szövedékét megbolygatják.

Ha meg akarjuk őket mérni, akkor tulajdonképpen távolságot kell mérnünk adott pontok között elképesztő pontossággal, hiszen a megérkező gravitációs hullámok miatt a távolságmérésünk is ingadozni fog egy nagyon kicsit a téridő fodrozódásai következtében.

Albert Einstein már 1916-ban, az általános realtivitáselmélet megfogalmazásakor megjósolta a gravitációs hullámok létét Forrás: Wikimedia Commons

Hiába tűnik gigantikus eseménynek a most közzétett két fekete lyuk összeolvadása, az ezek által okozott téridő fodrozódások elképesztően kicsik. A távolságváltozás, amelyet ki kéne mutatnunk, megközelítőleg a proton méretének a tízezred részét alkotják csupán!

Ráadásul nem csak a legextrémebb kozmikus események okozhatnak gravitációs hullámokat,

hanem szupernóvák és egyéb objektumok is, azonban az ezek által gerjesztett hullámok vizsgálatához még érzékenyebb mérőrendszerre van szükségünk.

A mérőkarok hosszúsága a pontos mérés kulcsa

A napokban bejelentett tudománytörténeti jelentőségú felfedezés a LIGO obszervatórium mérésein alapult. Egy ilyen típusú földi obszervatórium érzékenységét alapvetően a mérőkarokban oda-vissza mozgó fény által megtett út hossza határozza meg, amely különféle technikai megoldásokkal együtt is a LIGO esetében mindösszesen 1600 km.

A LIGO projekt mérőkarjai összesen 1600 kilométeres szakaszt biztosítottak a történelmi jelentőségű mérés elvégzésére Forrás: LIGO

Természetesen ez kiemelkedő technológiai újítások sorozatának eredménye, amelynek segítségével különösen nagy tömegű fekete lyukak összeolvadásából származó igen nagy frekvenciás gravitációs hullámokat sikerült detektálni. Azonban hogyan lehetne kisebb frekvenciájú gravitációs hullámokat is kimutatni?

Az Európai Űrügynökség LISA szondája teszteli az új technológia alkalmazási feltételeit Forrás: ESA

Olyan hullámokat, amelyek jóval kisebb mértékű kozmikus eseményekből származnak, ám hasonlóan izgalmas eredményekkel szolgálhatnak a kozmológusok számára.

Ehhez a mérőkarok hosszát kell jelentősen megnövelni,

hogy a lézerfény által a mérőkarokban megtett út sokkal hosszabb legyen.

A tér begörbülését szemléltető ábra Forrás: Wikimedia Commons

Ennek a megvalósítása technológiai trükkökkel egy pontig a Földön elhelyezett obszervatóriumokban is lehetséges lesz, de önként adódik a lehetőség: vigyük a mérési rendszert a világűrbe, ahol hatalmas távolságok állnak rendelkezésünkre! Az Európai Űrügynökség eLISA küldetése éppen ezt tűzte ki célul!

Az Európai Űrügynökség eLISA küldetése

Az eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) küldetés tervezett indítási időpontja 2034 jelenleg, legfőbb célja pedig a gravitációs hullámok még érzékenyebb, alacsonyabb frekvenciájú detektálása lesz a világűrből. Ennek érdekében a szonda hasonló méréstechnikát fog alkalmazni a távolságméréshez mint a földi obszervatóriumok, kombinálva a világűrben rendelkezésre álló hatalmas térrel.

Az Európai Űrügynökség már az eLISA programon dolgozik Forrás: ESA/Picasa

Az anyaszonda további két szondát bocsát ki magából egymásra merőleges irányokban, melyek adott távolságra eltávolodnak, és egyben - a LIGO méréseihez hasonlóan - a két mérőkar végpontjai lesznek. Az anyaszondának e végpontok távolságát kell nagyon pontosan mérnie.

Ebben az esetben azonban a mérőkarok hosszát közel 1 millió km-re tervezik,

amely a LIGO jelenlegi 1600 km-hez képest elképesztő növekedés!

Az eLISA program Pathfinder szondája interferométerének vázrajza Forrás: ESA

Ez teszi majd lehetővé olyan alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok detektálását is, amelyeket földi obszervatóriumokkal nem lehetséges megfigyelni.

A küldetés már el is kezdődött

Habár számos tekintetben egyszerűbbnek tűnik a mérést a világűrben kivitelezni, hiszen például nem lesz szükség a mérőkarokban végigfutó vákuumcsövekre sem, azonban komoly technikai kérdéseket kell még megoldani a sikerhez. Többek között az egyes mérőegységek pontos stabilizációját a Napunk által okozott sugárnyomással szemben, hiszen meg kell őrizniük a pozíciójukat. Ehhez precíziós fúvókákat fognak használni.

A Pathfinder szonda szerelése Forrás: ESA-CNES-ARIANESPACE / Optique vidéo du CSG/G Barbaste

E technológiák tesztelése érdekében épült meg a LISA Pathfinder szonda, amelynek küldetése már folyamatban is van. 2015. decemberében bocsátották fel és nem sokkal utána elérte kijelölt pozícióját a Nap és a Föld között, ahol az lesz a fő feladata, hogy az eLISA küldetése során tervezett gravitációs hullám detektálási technológiákat élesben is tesztelje.

Két, egymás körül keringő fekete lyuk által keltett gravitációs hullámok 3D modellje Forrás: NASA

Nagy izgalommal várjuk a sikeres tesztekről szóló első jelentéseket, hiszen ez alapvető feltétele, hogy az eLISA küldetés sikeres legyen, és tovább tágíthassa a gravitációs hullámokról alkotott képünket.

(Zábori Balázs asztrofizikus, az MTA kutatójának összeállítása)