Hatalmas villanás az univerzumban - itt az óriási bejelentés

Művészi fantáziarajz a két neutroncsillag összeolvadásáról

A téridő fodrozódásainak, vagyis a gravitációs hullámoknak a legelső észlelése tudománytörténeti jelentőségű eseménynek számított, mivel új korszakát nyitotta meg a világűr kutatásának: olyan kozmikus történések és objektumok válhattak megfigyelhetővé, amikről korábban nem is álmodozhattunk. Most az első észleléshez hasonló fontosságú dolog történt: két neutroncsillag ütközése során keletkezett gravitációs hullámokat figyeltek meg a LIGO-Virgo tudományos együttműködés kutatói. A legújabb felfedezéssel a gravitációs hullámok mellett már optikailag megfigyelhető jeleket is sikerült detektálni, ami a „többcsatornás csillagászat” megszületéséhez vezetett.

Az észlelés körülményei

Az Albert Einstein általános relativitáselméletét igazoló, két fekete lyuk összeolvadása okozta gravitációs hullámot elsőként 2015 szeptemberében, majd másodjára 2015 karácsonyának második napján észlelte az amerikai LIGO (lézer interferométeres gravitációshullám-vizsgáló obszervatórium) livingstoni és hanfordi detektora. A harmadik észlelés szintén a LIGO érdeme, ám negyedszerre már az európai Virgo detektoráé lett a dicsőség, amely augusztus 14-én detektált szintén fekete lyukak „ölelkezéséből” származó gravitációs hullámokat. (Az alábbi videóban röviden összefoglaljuk, mik is azok a gravitációs hullámok és mit takart a legelső felfedezés.)

Alig három nappal később, 2017. augusztus 17-én, magyar idő szerint 14:41-kor a LIGO-detektorok ismét gravitációshullám-jelet észleltek, szám szerint immár az ötödiket, a szignál az észlelés dátumáról a GW170817 nevet kapta. Lassan ott tartunk, hogy a téridő fodrozódásaival kapcsolatos bejelentések már heti rutinná válnak, a mostani azonban mégis különlegesnek számít, nem véletlenül.

A nagy felfedezés, hogy a most detektált jelek neutroncsillagok összeütközéséből származnak és nem fekete lyukak találkozásából.

A fekete lyukakból érkező szignálokat könnyebb észrevenni, ám kevésbé érdekesek, míg a neutroncsillagok kisebbek, a jelük is gyengébb, így csak később látjuk meg őket. Ha utóbbiak optikai távcsővel is megvizsgálhatóak, az csillagászati szempontból sokkal izgalmasabb felfedezést jelent” – mondta az Origónak dr. Frei Zsolt, a Magyar Tudományos Akadémia doktora, az ELTE tanszékvezetője, aki a LIGO-berendezés üzemeltetését és adatainak kiértékelését végző LIGO Scientific Collaboration (LSC) tagja.

Művészi fantáziarajz a két neutroncsillag összeolvadásáról Forrás: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet

Mi az a neutroncsillag?

A neutroncsillagok a nagy tömegű csillagok élete végén, szupernóva-robbanás után visszamaradó objektumok. A megsemmisülő csillag magja a hatalmas gravitációs nyomás miatt összeroppan, és egy rendkívül sűrű maradványcsillag jön létre. A mag összeomlása során a protonok neutronokká alakulnak, így a neutroncsillagot egy hatalmas, kizárólag neutront tartalmazó atommagként kell elképzelni.

A felfedezést a LIGO, a Virgo-berendezés, valamint 70 földi és űrteleszkóp segítségével tették.

Frei Zsolt szerint pusztán a gravitációshullám-jel alapján csak nagy hibával lehet lokalizálni a forrást, az égnek tehát egy tekintélyes részét pásztázni kellene, ha meg akarjuk találni az optikailag is megfigyelhető csillagászati esemény kiindulópontját. Éppen ezért az ELTE kutatói egy galaxiskatalógust fejlesztettek ki, ami alaposan lerövidíti a keresési időt. Ezt úgy érik el, hogy a tudósok a katalógusban megnézik, a szignál mely galaxisok irányából érkezik, és csak azokat a csillagvárosokat kémlelik. Így elég az adott égboltrésznek mindössze egy százalékát vizsgálni. A hullámok megjelenése után nem sokkal az optikai távcsövek meglátták a felvillanást is.

Az alábbi ábrán láthatóak a felfedezésben közreműködő LIGO és Virgo-detektorok, valamint az elektromágneses megfigyeléseket végző partnerek távcsöveinek földrajzi pozíciói Forrás: LIGO/Virgo

Ugyan az észlelés idejében az olaszországi Virgo-detektor is üzemelt, a jelet csak a LIGO-detektorok „látták meg”, pedig a forrás közelsége miatt az európai műszereknek is érzékelniük kellett volna. Ez fontos szerepet játszott a GW170817 lokalizálásában:

a forrásnak egy olyan, szűk égterületen belül kellett lennie, ami pont a Virgo-detektor egyik „vakfoltjára” esik.

Ebből és a két LIGO-detektor észleléséből azt a következtetést vonták le a kutatók, hogy a GW170817 égi iránya egy körülbelül 34 négyzetfok nagyságú égterületre szűkíthető le (szemléletesebben leírva ez nagyjából háromszor akkora, mint amekkorát a kinyújtott kezünk hüvelykujja kitakar az égből).

A videón két neutroncsillag összeolvadásának szimulációját láthatjuk.

Mit lehet tudni a forrásról?

A két összeolvadt objektum tömegét egyenként 1,1 és 1,6 naptömeg közöttinek becsülik. A LIGO-detektorok neutroncsillagok és fekete lyukak összeolvadását képesek észlelni.

Mivel az említett tömegértékek egyértelműen neutroncsillagokra jellemzők (5 naptömeg alatt nem várunk fekete lyukat), ezért nem okozott különösebb nehézséget az égitestek típusának meghatározása.

Érdekesség, hogy a tudomány egyelőre nem tud választ adni arra a kérdésre, pontosan mi is keletkezik két neutroncsillag találkozásakor.

A GW170817 forrásának becsült távolsága 130 millió fényév, így ez az eddigi legközelebbről detektált gravitációshullám-jel (összehasonlításképpen az eddigi észrevett gravitációs hullámok több mint 1 milliárd fényévre voltak Földünktől).

Két neutroncsillag ütközése (illusztráció) Forrás: Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

A csillagászati esemény utófényét az NGC 4993 nevű galaxisban azonosították. A szóban forgó csillagváros Magyarországról tavasszal a Hydra csillagképben látható.

Az ábrán láthatóak a forrásnak a különböző műszerekkel meghatározott égterületei, valamint a forrásról a Swope teleszkóp által készített kép, és egy, a DLT40 teleszkóppal kb. egy nappal korábbi felvétel, amelyen még nem látható utófény Forrás: LIGO/Virgo

A többcsatornás csillagászat születése

Azt mondhatjuk, megszületett a sokcsatornás (vagy többcsatornás) csillagászat, mert nemcsak gravitációs hullámot, hanem felvillanást (azaz optikai jelet) is detektáltunk. Ez azért nagyon fontos, mert egyszerre több különböző csatornán kapunk ismeretet ugyanarról a jelenségről”

– magyarázta Frei Zsolt. Jelenlegi ismereteink alapján a rövid gammakitörések forrásai az összeolvadó neutroncsillagok. Mindössze 2 másodperccel a GW170817 után a Fermi és az INTEGRAL távcső egy rövid gammakitörést észlelt, amit GRB170817A-ra kereszteltek el. A kutatók több tényező miatt is úgy gondolják, hogy a két jel azonos forrásból érkezett.

A gamma-jelből a forrás távolsága nem megállapítható (csak az iránya, de az is pontatlanul). Ha a gravitációs hullám és a gamma-kitörés valóban azonos forrásból származott, akkor ez a valaha észlelt legközelebbi rövid gamma-kitörés lehet.

Az két ábrán a Swope Telescope felvételei láthatóak a GW170817 esemény elektromágneses utófényéről, néhány nap különbséggel Forrás: 1M2H, Swope Telescope, Ryan Foley

De nem csak ez az egyetlen újdonság, amit a többcsatornás csillagászat segítségével sikerült feltárni. A legújabb teóriák szerint a kémiai periódusos rendszer vason túli, legnehezebb elemeinek körülbelül fele a korábban vélttel ellentétben nem szupernóva-robbanásokból, hanem összeütköző neutroncsillagokból származik. Az amerikai Gemini obszervatórium, az európai EVLT-teleszkóp, valamint a Hubble-űrteleszkóp az utófény színképéből ténylegesen ki is tudták mutatni arany és platina jelenlétét az összeolvadásból visszamaradt anyagban, megerősítve az elméleti feltételezéseket.

Hogyan tovább?

A LIGO és a Virgo detektorai jelenleg „pihennek”, nem üzemelnek, mivel fejlesztik és javítják őket. A harmadik megfigyelő időszak 2018 őszén indul, felfedeznivalóból pedig nem lesz hiány.

Azt várjuk, hogy másfajta jeleket is találunk majd, például az Ősrobbanás idejéből, vagy szupernóva-robbanásból származó gravitációs hullámokat”

– mondta Frei Zsolt.

A gravitációs hullámok és a világegyetem tágulásának üteme

Az ELTE galaxiskatalógusa nemcsak a gravitációs hullám forrásának meglelésében mutatkozott hasznosnak, de általa a LIGO-Virgo Kollaboráció kutatói a gravitációshullám-észlelésből kiszámolták a világegyetem tágulásának ütemét leíró úgynevezett Hubble-állandót is. Ebben a kutatómunkában az ELTE-ről Dálya Gergely (doktorandusz) és Raffai Péter (adjunktus, témavezető) vettek részt.

Az ELTE LIGO tagcsoportja. Balról jobbra: Bécsy Bence, Raffai Péter, Frei Zsolt, Dálya Gergely és Szölgyén Ákos Forrás: EGRG

A Hubble-állandó értéke mostanáig csak elektromágneses megfigyelésekből volt ismert, a mostani az első alkalom, hogy kutatók a megállapításához egy gravitációs hullám jelét használták.

A kozmológusok között jelenleg élénk vita folyik a Hubble-állandó valódi értékéről: a kozmikus háttérsugárzás és a szupernóva-robbanások megfigyeléséből két kissé eltérő értéket számoltak ki. A vitát egyelőre a kollaboráció kutatói sem döntötték el: a Hubble-állandó értékét egyetlen gravitációshullám-jellel csak olyan pontossággal tudták kimérni, ami mindkét ismert értékkel összhangban van.

Magyarok a gravitációs hullámok kutatásában

A LIGO Kollaborációnak az Eötvös Loránd Tudományegyetemen és a Szegedi Tudományegyetemen működik magyar tagcsoportja, az előbbi Frei Zsolt, az utóbbi Gergely Árpád László vezetésével. A Virgo Kollaborációnak a Wigner Fizikai Kutatóközpontban működik egy magyar tagcsoportja, Vasúth Mátyás vezetésével. A több mint ezer főből álló LIGO-Virgo Kollaborációnak összesen kevesebb, mint húsz magyar tagja van, közülük néhányan az USA-ban dolgoznak (Columbia University, University of Florida, Caltech).