Döbbenetes jelenségekről üzennek a gravitációs hullámok

A nemrég felfedezett gravitációs hullámok tanulmányozása az asztronómia egy új tudományágát nyitja meg

Futótűzként járta be a világot a hír, amikor 2016 februárjában bejelentették, hogy kereken száz évvel Albert Einstein jóslata után, először sikerült bebizonyítani a téridő fodrozódását, azaz a gravitációs hullámok létét. Az elmúlt két évben újabb öt alkalommal üzent ismét az univerzum a műszerek által elfogott gravitációs hullámok útján. Az új felfedezések soha nem látott új perspektívát nyitnak a világegyetem eddig még alig ismert jelenségeinek elmélyültebb megértéséhez, amiről Frei Zsolt, az ELTE Széchenyi-díjas fizikusprofesszora és a gravitációs hullámok kutatásának nemzetközi hírű művelője exkluzívan nyilatkozott az Origónak.

Ez volt az évszázad egyik legjelentősebb felfedezése

2016 februárjában hozták nyilvánosságra, hogy az asztrofizika történetében először sikerült gravitációs hullámokat detektálni, amelyek létét Albert Einstein 1916-ban, az általános relativitáselmélet publikálásakor már elméletben megjósolta.

Albert Einstein már 1916-ban, az általános relativitáselmélet publikálásakor megjósolta a gravitációs hullámok létét Forrás: Origo

E tudománytörténeti jelentőségű észlelést méltán tartják az évszázad egyik legnagyobb felfedezésének,

ami két egymással összeolvadó fekete lyuk megfigyeléséhez kapcsolódott.

A nemrég felfedezett gravitációs hullámok tanulmányozása az asztronómia egy új tudományágát nyitja meg Forrás: Origo

2015 szeptemberéig - amikor az észlelés megtörtént – még sohasem sikerült megfigyelni a természetben ekkora energiájú folyamatot, hiszen a megfigyelt két fekete lyuk összeolvadása során felszabaduló energia

3000 szupernova-robbanás energiájának felelt meg.

Művészi illusztráció ütköző fekete lyukakról Forrás: NASA

Albert Einstein óta tudjuk, hogy az univerzumban a látható fény terjedési sebessége abszolút érték, azaz bármilyen sugárzás, illetve energia, így a gravitációs hullámok is csak fénysebességgel terjedhetnek.

Einstein óta tudjuk, hogy az univerzumban a látható fény terjedési sebessége abszolút érték Forrás: Popperfoto/Getty Images

A gravitációs hullámok számára – az elektromágneses hullámokkal szemben – az univerzum teljesen átlátszónak számít,

azaz mindenen akadálytalanul áthatolnak, és az anyag érdemben nem befolyásolja a terjedésüket.

Ez teszi lehetővé, hogy a gravitációs hullámok segítségével olyan objektumok is felfedezhetővé váljanak, amelyek a hagyományos megfigyelési módszerekkel láthatatlanok maradnának.

A tér görbülését szemléltető ábra Forrás: Wikimedia Commons

A gravitációs hullámokat a gyorsuló tömegek keletkeztetik, ám ezek az észlelhetőség szempontjából roppant gyenge jelek, amelyeket csak az erre a célra kifejlesztett speciális, rendkívül nagy érzékenységű detektorok képesek érzékelni.

Gravitációshullám-detektor Forrás: ELTE

Jelenleg a legnagyobb mérőeszköz az amerikai CalTech és MIT által épített LIGO,

ami két, egymástól 3000 kilométer távolságra fekvő detektor együttese, és amelyek egyenként négy kilométer hosszúságú L formájú karokkal rendelkeznek.

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

Jelenleg is megvan a potenciál ahhoz, hogy ez a gigantikus mérőeszköz-együttes tízszer érzékenyebbé váljon az eredeti LIGO felbontásához képest, kaput nyitva az újabb izgalmas felfedezések előtt.

Nemzetközileg elismert a magyar közreműködés a gravitációs hullámok kutatásában

A detektor-együttes üzemeltetését, valamint az észlelések kiértékelését a LIGO Scientific Collaboration (LSC) szervezet végzi, amelynek 90 kutatócsoport, köztük az ELTE Eötvös Gravitációs Kutatócsoportja, valamint a Szegedi Tudományegyetem Gergely Árpád László által vezetett csoportja is tagja.

Frei Zsolt Széchenyi-díjas fizikusprofesszor, az MTA doktora és az ELTE tanszékvezető egyetemi tanára nemzetközi elismerést szerzett a gravitációs hullámok kutatásában Forrás: Rangefinder Kft/Colorlab

Frei Zsolt professzor, az MTA doktora és az ELTE Természettudományi Tanszék Fizikai Intézetének igazgatója, aki 2017-től az MTA-ELTE Extragalaktikus Asztrofizikai Kutatócsoport vezetője is,

kollégáival együtt rendkívül fontos és nemzetközileg elismert szerepet játszik az LSC munkájában.

Frei Zsolt és kollégái a gravitációshullám-kutatásban: Nagy Dávid (ATOMKI), Bécsy Bence (ELTE), Molnár József (ATMOKI), Dálya Gergely (ELTE), Fenyvesi Edit (ATOMKI), Gondán László, Raffai Péter, Frei Zsolt, és Szölgyén Ákos (ELTE) Forrás: MTA

A magyar kutatók állították össze többek között azt a galaxiskatalógust,

ami jelenleg a legfontosabb „térkép" a gravitációs hullámforrások azonosításához,

de ugyancsak magyar szaktudósok konstruálták meg LIGO infrahang mikrofonját, valamint részt vesznek a LIGO szoftverjeinek fejlesztésében is.

A LIGO kutatója az egyik mikrohullámfrekvencia-mérő tükrét vizsgálja Forrás: MATT HEINTZE/CALTECH/MIT/LIGO LAB

Frei professzorral a gravitációs hullámok kutatásának új eredményeiről, a közeljövő perspektíváiról, továbbá a magyar tudósoknak a projektben játszott szerepéről beszélgettünk.

2017-ben sikerült ötödik alkalommal gravitációs hullámot észlelni. Mitől vált különösen jelentőssé ez az észlelés?

A legelső és forradalminak tekinthető 2015. szeptemberi gravitációshullám-detektálás két fekete lyuk összeolvadásához volt köthető. A fekete lyukak – ahogyan az az elnevezésükből is következik – olyan szupersűrű anyagból álló objektumok,

amelyek rendkívüli gravitációs erejük miatt a fényt is foglyul ejtik,

tehát nem köthetők fényjelenségek hozzájuk.

A fekete lyuk az anyag elfajult állapota Forrás: Josh Valenzuela / UNM

2017-ben két neutroncsillag egymásba olvadása keletkeztetett gravitációs hullámot,

és mivel a fekete lyukakkal szemben a neutroncsillagok világító égitestek, így először nyílt lehetőség arra, hogy optikai észleléssel is azonosítsunk egy gravitációs hullámforrást.

Egy neutroncsillag illusztrációja. Szemben a fekete lyukakkal, a neutroncsillagok világító, tehát optikailag is észlelhető égitestek Forrás: Wikimedia Commons

Probléma viszont, hogy ezeknek az égitesteknek jóval gyengébbek a gravitációs hullámai,

ezért a sikeres detektáláshoz tovább kell érzékenyíteni a műszereket, vagy olyan szerencsés helyzetre van szükség, ami 2017-ben történt, amikor is csillagászati értelemben egészen közel, hozzánk „mindössze" 130 millió fényévre következett be a gravitációs hullámot keletkeztető jelenség.

Forrás: ICRAR/University of Amsterdam

Csak példaként, az elsőként megfigyelt gravitációs hullámot olyan összeolvadó feketelyukpáros bocsátotta ki, ami 1,2 milliárd fényév távolságra van tőlünk.

Miért jelent fokozott problémát a gravitációs hullámot kibocsátó objektumok azonosítása?

Az a legfőbb gond, hogy önmagában a gravitációs hullám észleléséből még nem határolható be a forrás helye. A jelből a tömeg meghatározható, ám az objektum lokalizálásához legalább három detektor szükséges, mivel a jel forrását csak háromszögeléssel lehet behatárolni.

Frei Zsolt fizikusprofesszornak a gravitációs hullámok kutatása terén végzett eddigi munkássága már jelentős nemzetközi elismerést váltott ki Forrás: All rights reserved/Zsolt Frei

Ekkor azonban még mindig csak az égbolt egy bizonyos része határolható be

a jel forrásának további azonosításához. A másik probléma, hogy noha jelenleg adott három mérőeszköz, az amerikai LIGO kettő detektora, valamint az olaszországi VIRGO, azonban a LIGO detektorai kétszer érzékenyebbek az olaszországi berendezésnél.

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

A további keresés szűkítésénél kap fontos szerepet az ELTE általam vezetett kutatócsoportja által összeállított galaxiskatalógus, amely munkában Raffai Péter és Dálya Gergely játszott fontos szerepet,

és ami 3,2 millió olyan galaxis adatait tartalmazza, amelyek a LIGO észlelési tartományába esnek.

Ha sikerül leszűkíteni az esemény helyét, a katalógus segítségével még tovább mehetünk, és meghatározhatjuk azt a néhány száz galaxist, amelyeket elég megfigyelni az adott területen belül.

Az NGC 3981 jelű spirálgalaxis. Az ELTE galaxiskatalógusa jelentős hozzájárulást jelent a gravitációs hullámforrások detektálásához Forrás: ESO

Ha már tudjuk, hogy melyek a szóba jöhető galaxisok, akkor azt is megbecsülhetjük,

ezek közül melyek azok, amelyeknél megtörténhet a felvillanás.

Az ELTE galaxiskatalógusának segítségével tavaly már a 14.-nél sikerült megtalálni a vizsgáltak közül a jelforrás galaxisát.

A gravitációs hullámot és fényt is kibocsátó objektumok azonosításához azonban nyilván optikai, tehát teleszkópos megfigyelés is szükséges. Hozott-e új eredményt a tavaly optikailag is azonosított gravitációs hullámforrás, a két összeolvadó neutroncsillag megfigyelése?

Az LSC, azaz a LIGO kutatócsoportja 60 obszervatóriummal áll kooperációban. Ha megtörténik a gravitációs hullám detektálása, és a felvillanás helyének az előzőekben ismertettek szerinti leszűkítése,

akkor az obszervatóriumok egy időben az égbolt azonos pontjáról gyűjtenek adatokat,

ami adott esetben, mint például a neutroncsillagoknál, lehetővé teszi a gravitációs hullámot kibocsátó objektum optikai azonosítását is.

Az azonosításban a hagyományos optikai teleszkópok is részt vesznek (a kép illusztráció) Forrás: Origo

Megjegyzendő, hogy a velünk kooperáló intézetek nem csak optikai műszerekkel felszereltek, mert vannak köztük rádióteleszkóp-obszervatóriumok is. A tavalyi megfigyeléseknek volt egy nagyon érdekes eredménye.

Rádióteleszkópok Forrás: Alex Cherney/CSIRO

Az összeolvadó neutroncsillagokban színképelemzéssel rendkívül nagy arányban sikerült kimutatni a vasnál nehezebb elemek, köztük például az arany jelenlétét.

Felrobbanó szupernova az NGC 4526 jelű galaxisban. A szuper tömegű óriáscsillagok életük végén egyetlen gigantikus termonukleáris robbanás során anyaguk egy részét szétsugározzák, a megmaradó rész pedig a gravitációs kollapszus miatt bizonyos esetekben fekete lyukká változhat Forrás: NASA/JPL

Eddig úgy gondoltuk, hogy a nehézelemek leginkább a csillagfejlődés egy viszonylag ritka és speciális végstádiumában, a rendkívül nagy energia felszabadulással járó szupernóva-robbanáskor jöhetnek létre,

ám most bebizonyosodott, hogy nemcsak szupernova,

hanem az úgynevezett kilonóva eseménynél is jelentős mennyiségben keletkeznek nehézelemek.

Kanyarodjunk vissza az észlelhetőség, pontosabban a gravitációs hullámdetektálás nehézségeihez. Úgy tudom, hogy a magyar tudósoknak van egy olyan zseniális és viszonylag könnyen kivitelezhető ötlete, ami kiválóan hozzájárulhat a gravitációs hullámok további kutatásához, illetve a kibocsátó objektumok azonosításához.

Amint már említettem, jelenleg három mérőeszköz üzemel, a LIGO, illetve a VIRGO detektorai, ám a VIRGO nem olyan érzékeny, mint az amerikai detektorok, ez pedig jelentősen leszűkíti a pillanatnyilag adott észlelési lehetőségeket.

A LIGO detektoraival sikerült elsőként észlelni a gravitációs hullámokat Forrás: ELTE

A LIGO India üzembe állításával azonban körvonalazódik a megoldás.

Ennek már elkezdték az építését, és várhatóan 2025 után megkezdheti a működését is. A mi ötletünk, hogy alacsony földkörüli pályára állított mikroszatellitekkel is végezzünk méréseket.

Az ELTE kutatói, középen Frei professzorral Forrás: ELTE

Ezek az apró műholdak nem közvetlenül a gravitációs hullámokat, hanem ezek kísérőjelenségeit, a gammafelvillanásokat észlelik.

A terveink szerint összesen 9 úgynevezett „cube satellite" azaz mikroszatellitet állítanánk orbitális pályára.

Ez a műholdszám már elegendő lesz ahhoz, hogy bármilyen irányból észlelhetővé váljanak a gammafelvillanások, és pontosan meghatározható legyen a forrásuk helye is.

Gamma-kitörés illusztrációja Forrás: B. Saxton, NRAO/AUI/NSF/https://public.nrao.edu/mediause/Nrao/Aui/Nsf

A műholdakat az első magyar mikroszatellit, a MASZAT műegyetemi konstruktőreivel közösen fejlesztjük ki,

és terveink szerint 2022-re már mind a kilenc üzemelni fog. A műholdak fedélzeti gammadetektorait Japánból szerezzük be.

Apró, úgynevezett pocket vagy cube szatellitek (a kép illusztráció) Forrás: ESA

A kutatócsoporton belül Werner Norbert e nagyszabású projekt koordinátora, szoros együttműködésben Kiss Lászlóval és Pál Andrással, az MTA CSFKI Csillagászati Intézetéből. Ezzel a módszerrel már a LIGO India üzembeállítása előtt is hatékonyan folytathatjuk a gravitációs hullámok kutatását, ami meggyőződésem szerint még számos nagyhorderejű felfedezéssel kecsegteti a tudományt.