Fontos rejtélyre deríthetnek fényt az új gravitációs hullámok

Összeolvadó fekete lyukak

A Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) harmadszor is észlelt gravitációs hullámokat - a téridő fodrozódásait -, demonstrálva, hogy a csillagászatnak valóban egy új ága született meg. Ahogy az első két észlelés esetén is, ezek a hullámok akkor keletkeztek, amikor két fekete lyuk összeolvadt, egy nagyobb fekete lyukat hozva létre.

Az újonnan felfedezett fekete lyuk, amely az összeolvadás során keletkezett,

körülbelül 49-szer akkora tömegű, mint a Napunk.

Ez az érték a LIGO által korábban észlelt két, szintén összeolvadásból származó fekete lyuk tömege közé esik, amelyek 62 illetve 21 Nap tömegűek – írja az ELTE sajtóközleménye.

"Újabb megerősítést kaptunk olyan, csillagokból keletkezett fekete lyukak létezésére, amelyek 20 Naptömegnél nagyobbak. Ilyen tömegű objektumok létezéséről nem tudtunk azelőtt, hogy a LIGO észlelte volna őket." - mondja David Shoemaker az MIT-ről, a LIGO Scientific Collaboration (LSC) újonnan megválasztott szóvivője.

Az LSC több, mint 1000 kutató nemzetközi együttműködése, akik a LIGO kutatásait az európai Virgo Kollaborációval közösen végzik.

"Figyelemre méltó, hogy az emberiség képes egy elképzelést megalkotni és tesztelni olyan különös és kivételes eseményekről, amelyek évmilliárdokkal ezelőtt és milliárd fényévekkel távolabb történtek tőlünk. A teljes LIGO és Virgo kutatói együttműködés azon dolgozott, hogy ezeket az elemeket összeillessze."

Az új észlelés a LIGO jelenleg zajló, O2 nevű, 2016. december elején kezdődött megfigyelési időszaka alatt történt, amely a nyár végéig tart. A megfigyeléseket két azonos detektor végzi - az Egyesült Államok-beli Hanfordban (Washington állam) és Livingstonban (Louisiana állam) -, amelyeket a Caltech és az MIT egyetemek működtetnek, a National Science Foundation (NSF) támogatásával.

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

2015-ben észlelték az első gravitációs hullámokat

A LIGO 2015 szeptemberében először észlelt közvetlenül gravitációs hullámokat, az első olyan megfigyelő időszaka alatt (O1), ami az után történt, hogy a detektorok jelentős fejlesztésen mentek keresztül az Advanced LIGO nevű program keretében. A második észlelés 2015 decemberében történt.

A harmadik, GW170104 nevet viselő, 2017. január 4-i észlelésről egy új szakcikk számol be, ami a Physical Review Letters folyóiratban június 1-én jelenik meg.

"Most már tisztán látszik, hogy a gravitációshullám-detektorok valóban új ablakot nyitnak a világegyetemre, és megkezdődhet az asztrofizika ezen új ágának megfigyelési korszaka" - mondja Frei Zsolt, az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) professzora, az ELTE LIGO tagcsoportjának vezetője. "A kérdés már nem az, hogy tudjuk-e észlelni a gravitációs hullámokat, mivel ez a harmadik megtalált jel után immár kétséget kizáróan bebizonyosodott.

A kérdés most már az, hogy hogyan és mire tudjuk használni ezeket a jeleket az asztrofizikában és a világegyetem megértésében."

Mindhárom esetben a LIGO két detektora egyszerre észlelte a feketelyuk-párok nagyenergiájú összeolvadásából származó gravitációs hullámokat. Ezek az ütközések az adott, rövid időpillanatban, nagyobb teljesítményt bocsátanak ki, mint amekkorát a világegyetem összes csillaga és galaxisa együttvéve fény formájában kisugároz. A legutóbbi jel érkezett eddig a legtávolabbról:

a fekete lyukak összeolvadása tőlünk mintegy 3 milliárd fényévnyire történt.

(Az első és a második észlelés fekete lyukjai rendre 1,3 és 1,4 milliárd fényévnyire voltak.)

Számítógépes animáció a két fekete lyuk ütközéséből keletkező gravitációs hullámokról Forrás: MPI

A feketelyuk-kettősök létrejöttéről szolgáltathat információt az új megfigyelés

A legújabb észlelés arról is árulkodik, hogy a fekete lyukak milyen irányú tengelyek körül forogtak. Miközben a fekete lyukak egymás körül keringenek, egyúttal a saját tengelyük körül is forgást végeznek - mint amikor két forgó korcsolyázó egymás körül táncol a jégen.

A fekete lyukak esetenként a keringésük tengelyével azonos irányban forognak - amit az asztrofizikusok összehangolt forgásnak neveznek -, néha pedig a keringési tengellyel ellentétes irányban végzik a forgásukat. Mi több, a fekete lyukak forgástengelye akár ferdén is állhat a keringés síkjához képest. Végső soron, a fekete lyukak forgástengelye tehát bármilyen irányba mutathat.

A LIGO által most észlelt jel tulajdonságai arra utalnak, hogy legalább az egyik fekete lyuk forgástengelye más irányba állt, mint a kettős keringési tengelye.

Több LIGO észlelésre van szükség ahhoz, hogy egyértelmű kijelentést lehessen tenni a feketelyuk-kettősök forgásáról, de már a jelenlegi adatok is elárulnak valamit a kettősök létrejöttéről.

Most először van bizonyítékunk arra, hogy a két fekete lyuk forgása nem összehangolt, ami arra utal, hogy az észlelt kettős egy sűrű csillaghalmazban, befogódással keletkezett."

- mondja Raffai Péter, az ELTE adjunktusa. "Az Eötvös Loránd Tudományegyetem LIGO tagcsoportjaként az elsők között voltunk a LIGO kollaborációban, akik ezzel a keletkezési mechanizmussal foglalkoztunk. A mostani felfedezés megerősítést jelent a számunkra abban, hogy a kutatásainkkal jó úton haladunk."

Az egyik LIGO érzékelő - mindegyiknek két kiálló karja van, a téridő hullámzása az egyiket megnyújtja, a másikat pedig összenyomja. Ezt a változást lézerek érzékelik Forrás: Caltech/MIT/LIGO Lab

Hogyan jönnek létre feketelyuk-kettősök? Most kiderülhet

Két alapmodell létezik arra, hogy a feketelyuk-kettősök hogyan jöhetnek létre. Az első modell szerint a fekete lyukak együtt keletkeznek: egy kettősrendszert alkotó csillagpár mindkét tagja szupernóvaként felrobban, amiben, mivel az eredeti csillagok összehangoltan forogtak, a keletkező fekete lyukak forgása is összehangolt marad.

A másik modell szerint a fekete lyukak csak a kialakulásuk után találkoznak egymással, sűrű csillaghalmazokon belül. A fekete lyukak azután alkotnak kettősrendszert egymással, hogy mindketten a csillaghalmaz közepébe süllyedtek. E folyamat eredményeként a fekete lyukak bármilyen irányban foroghatnak a keringés síkjához képest.

Mivel a LIGO több bizonyítékát látja annak, hogy a GW170104 fekete lyukjai nem összehangoltan forogtak, az adatok valamivel jobban alátámasztják a sűrű csillaghalmazokban keletkezés elméletét.

"A tanszékünkön folyó asztrofizikai kutatások több szállal is kapcsolódnak a most születő gravitációshullám-asztrofizika témaköréhez. Kocsis Bence ERC Starting Grantot nyert, és sűrű csillaghalmazok fizikájával foglalkozik az ELTE LIGO tagcsoportjával együttműködve. Pontosan ilyen környezetben alakulnak azok a feketelyuk-párok, amelyeknek gravitációshullám-jelét most észleltük" mondja Frei Zsolt.

Összeolvadó fekete lyukak Forrás: Wikimedia Commons

Újabb próba előtt a gravitációelmélet

Az észlelés ismét próbára tette Albert Einstein gravitációelméletét. A kutatók például egy "diszperziónak" nevezett jelenséget is kerestek, amely fényhullámoknak egy anyagi közegen történő áthaladásakor is fellép, mint például üvegben, ahol a fényhullámok a hullámhosszuktól függő sebességgel haladnak át: a prizmák ennek segítségével hoznak létre szivárványt. Einstein általános relativitáselmélete kizárja a gravitációs hullámok diszperzióját a forrásuktól a Földig tartó útjuk során.

A LIGO - az elmélet várakozásaival összhangban - nem találta nyomát ennek a jelenségnek.

"Az első három közvetlen gravitációshullám-észlelést elemezve, a kutatók az általános relativitáselmélettől való olyan eltérések lehetőségét vizsgálták, melyekben sérül a lokális Lorentz-invariancia, a modern fizikai elméletek egyik alapkövetelménye. Bizonyos kvantumgravitációs elmélet-jelöltek esetében így a gravitáció a fénysebességtől különböző sebességgel terjedne." - mondja Gergely Árpád László, a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) professzora, az SZTE LIGO-csoportjának vezetője.

Illusztráció két fekete lyuk ütközéséről Forrás: NASA

"Az észlelések elemzése azt mutatta, hogy az eltérés kimutathatatlan. Mi több, a lokális Lorentz-invarianciát nem sértő, de a fénysebességnél lassabban terjedő gravitációt feltételező elméletekre is kényszer adódott: a graviton (a gravitációs kölcsönhatást közvetítő, feltételezett elemi részecske) tömegéről mintegy három trilliószor pontosabban derült ki, hogy nulla, mint azt az erős kölcsönhatást hordozó részecskékről, a gluonokról tudtuk. Ezt az eredményt nem utolsósorban a harmadik gravitációshullám-forrás igen nagy távolságának köszönhetjük, az eltérés ugyanis a hosszú út során összeadódna."

Folyamatosan tökéletesedő műszerek

A LIGO műszerei lenyűgöző érzékenységet értek el"

- jegyzi meg Jo van den Brand, a Virgo Kollaboráció szóvivője, a holland Nikhef intézet fizikusa, és az amszterdami VU Egyetem professzora.

"Arra számítunk, hogy a Virgo, az európai interferométer, ezen a nyáron kibővíti majd a detektorok hálózatát, ami a jelek forrásainak jobb lokalizálásához segít majd minket" fűzte hozzá. "Az Advanced Virgo megépítését célzó fejlesztések ez év elején befejeződtek, és a május elején sikeresen lezajlott első tesztfutások alatt a detektor minden részrendszere megfelelően működött" - mondja Vasúth Mátyás, a Wigner Virgo csoport vezetője. "A detektor finomhangolásával és a zajforrások kiszűrésével az érzékenység növekszik, és a Virgo hamarosan csatlakozhat a LIGO detektorokhoz az univerzum eredetének és fejlődésének vizsgálatában" - egészítette ki.

A Pisa mellett található Virgo gravitációshullám-detektor légi felvétele Forrás: ESA

A LIGO-Virgo együttműködés kutatói tovább folytatják a legújabb LIGO adatok átfésülését, a világegyetem távoli régióiból érkező téridő-fodrozódások után kutatva. További technikai fejlesztéseken is dolgoznak a LIGO következő adatgyűjtő időszakára készülve (ez lesz majd az O3), ami várhatóan 2018 végén kezdődik el, miután a detektorok érzékenysége ismét tovább fog javulni.

"Az összeütköző fekete lyukakból származó gravitációs hullámok harmadik megerősített észlelésével a LIGO hatékony eszköznek bizonyult a világegyetem sötét objektumainak megfigyelésére." - mondja David Reitze a Caltechről, aki a LIGO laboratórium ügyvezető igazgatója.

Miközben a LIGO egyedülállóan alkalmas az ilyen típusú események megfigyelésére, abban reménykedünk, hogy hamarosan olyan, másfajta asztrofizikai eseményeket is meglátunk majd, mint amilyenek például a neutroncsillagok nagyenergiájú ütközései."

Magyarok a gravitációs hullámok kutatásában

Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG), amely a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetemen működik, 2007 óta az LSC tagja. A csoport vezetője Dr. Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető professzora, az MTA-ELTE Lendület asztrofizikai kutatócsoport vezetője. Az EGRG adatelemző munkáit Dr. Raffai Péter, az ELTE adjunktusa vezeti. A csoport az LSC valamennyi tevékenységi köréhez nyújt hozzájárulást: műszerépítéssel segítette a LIGO detektorok zajszintcsökkentését; a csoporttagok műszak- és riasztási felügyeletet látnak el a LIGO detektorok adatgyűjtési időszakai alatt mind a detektorállomásokon, mind a távolból; forrásmodellező munkájukkal és jelkeresőprogram fejlesztésével a gravitációshullám-jelek észlelési és kiértékelési hatékonyságát maximalizálják. Az EGRG készítette azt a galaxiskatalógust, amelyet az LSC az észlelt jelek forrásgalaxisainak azonosításához használ. Az EGRG tagjai segítik a jövőben építeni tervezett detektorok (köztük a tervek szerint Indiában épülő LIGO detektor) optimális elhelyezésének megtalálását. A LSC magyar nyelvű honlapját az EGRG csoport készítette és fejleszti.

A Szegedi Tudományegyetemen a gravitációs hullámok kutatását Dr. Gergely Árpád László egyetemi tanár honosította meg 2000-ben, a feketelyuk-kettősök dinamikájának és gravitációs sugárzásának elméleti vizsgálatával. A LIGO Tudományos Együttműködésnek 2009 óta tagja, először az ELTE csoport külső tagjaként, majd 2014-től önálló SZTE csoport vezetőjeként. Elsődleges kutatási érdeklődésük éppen a jelenleg is észlelt, nem összehangolt, precesszáló forgást mutató feketelyuk-kettősök vizsgálata. Tanítványaival a nem egyenlő tömegű fekete lyukak összeolvadásakor keletkező gravitációs hullámokat tanulmányozzák, valamint a gravitációshullám-kereséshez használt nemzetközi szoftverbe implementált hullámformák összehasonlítását végzik. A szegedi LIGO-csoport adatelemző munkáit Tápai Márton, az SZTE tudományos segédmunkatársa vezeti, aki a LIGO jelenleg zajló megfigyelési időszaka alatt többször is koordináló szerepet kapott a LIGO Tudományos Kollaboráció adatelemző munkájában.

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja a 2010-től tagja a Virgo együttműködésnek. A csoport tagjai Dr. Vasúth Mátyás tudományos főmunkatárs vezetésével számítástechnikai eljárások, algoritmusok, valamint hullámforma-jóslatok fejlesztésével járulnak hozzá az együttműködés munkájához. Részt vesznek továbbá az összeolvadó, nagy tömegű csillagok jeleinek keresésében, valamint az eredményeket ellenőrző csoport munkájában is. Ezekhez a vizsgálatokhoz a Wigner Adatközpontban üzemeltetett Wigner felhő is hozzájárul.