Kiderült, mik érkezhetnek az univerzum leghatalmasabb szörnyeiből

Az adatok azt mutatják, hogy ezen hullámok egy lehetséges forrásai olyan kettős csillagrendszereknek, amelyeknek a tagjai a világegyetem legnagyobb tömegű fekete lyukai

Asztrofizikusok kulcsfontosságú bizonyítékot találtak olyan gravitációs hullámokra, amelyek éves-évtizedes időskálán rezegnek. A felfedezést galaktikus kozmikus órák nagy rádiótávcsövekkel történő megfigyelése tette lehetővé - derül ki a The Astrophysical Journal Letters tudományos folyóirat 2023. június 29-én megjelent cikkeiből. A másfél évtizedes munkában az ELTE kutatói is részt vettek.

Az elmúlt 15 évben a North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) Physics Frontiers Center galaktikus méretű gravitációshullám-detektort épített fel milliszekundumos pulzárokból a National Science Foundation (NSF) pénzügyi támogatásából működő rádiótávcsövek segítségével. A milliszekundumos pulzárok kialudt, nagy tömegű csillagok maradványai; tengelyük körül másodpercenként több százszor fordulnak körbe, így rádiósugaraik - a világítótornyok fényéhez hasonlóan - periodikusan fel-felvillanó impulzusokként észlelhetőek. A gravitációs hullámok a teret és az időt jellegzetes mintázat szerint nyújtják és szorítják össze, ami az impulzusok közötti időközökben olyan változásokat okoz, amelyek a megfigyelt pulzárok mindegyikénél korrelálnak. Ezek a korrelált változások jelentik azt a sajátos jelet, amelynek észlelésén a NANOGrav dolgozik.

A NANOGrav korábban már felfedezett egy rejtélyes időzítési jelet, amely az összes vizsgált pulzárnál megfigyelhető volt. Ez azonban még nem volt elég erős ahhoz, hogy a tudósok az eredetét is megállapíthassák. A másfél évtizedes gyűjtőmunka eredményeképpen most azt feltételezik, hogy ez a jel a galaxisunkon áthaladó, finoman rezgő gravitációs hullámokból származik.

Nagy rádióteleszkóp Forrás: Arecibo Observatory / NSF

„Ez kulcsfontosságú bizonyíték a nagyon alacsony frekvenciájú gravitációs hullámokra – mondja Stephen Taylor, a Vanderbilt Egyetem munkatársa, a kutatás egyik vezetője, az együttműködés jelenlegi elnöke.

A felfedezés abszolút új ablakot nyit a gravitációs hullámok univerzumára.

Galaktikus hullámdetektor

Ellentétben a tünékeny, magas frekvenciájú gravitációs hullámokkal, amelyeket a LIGO (Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium) és a hozzá hasonló földi eszközök észleltek, ezt a tartós, alacsony frekvenciájú jelet csak a Földnél sokkal nagyobb detektorral lehet érzékelni. Ezért a csillagászok galaxisunk egy részét hatalmas gravitációshullám-antennává alakították át, amihez 68 egzotikus csillagról (ú.n. pulzárról) gyűjtöttek adatokat. Az ily módon létrejött detektort pulzáridőzítési hálózatnak nevezték el.

Az NSF NANOGrav csapata lényegében galaxis méretű detektort hozott létre, amely felfedi a világegyetemet átjáró gravitációs hullámokat

– mondja Sethuraman Panchanathan, az NSF igazgatója. – Ez világszínvonalú tudományos innováció."

A pulzárok vezették nyomra a kutatókat

A pulzárok szupernóva-robbanásban elpusztult hatalmas csillagok magjának ultrasűrű maradványai. Gyorsan forognak, miközben rádióhullám-sugarakkal pásztázzák a világűrt - így a Földről nézve úgy látjuk, mintha pulzálnának. A leggyorsabbak köztük az úgynevezett milliszekundumos pulzárok, ezek másodpercenként több százszor fordulnak körbe tengelyük körül. Mivel impulzusaik rendkívül szabályosak, precíz kozmikus időmérőként használhatjuk őket.

A pulzárok valójában nagyon halvány rádióforrások, ezért a kísérlet végrehajtásához évente több ezer órányi megfigyelésre volt szükség a világ legnagyobb távcsöveivel

– mondja Maura McLaughlin, a Nyugat-Virginiai Egyetem munkatársa és a NANOGrav PFC társigazgatója. - Ezt az eredményt az tette lehetővé, hogy a National Science Foundation (NSF) kitartóan támogatta ezeket a kivételesen érzékeny rádiótávcsöveket."

Rádiótávcsövek Forrás: NRAO/AUI/NSF

Einstein általános relativitáselmélete pontosan megjósolja, hogy a gravitációs hullámok hogyan hatnak a pulzárok jeleire. A tér szövetének nyújtásával és összenyomásával a gravitációs hullámok kicsi, de kiszámítható módon befolyásolják az impulzusok ütemét. Egyes impulzusok a vártnál korábban, míg mások később érkeznek. Két különböző pulzárra mérhető eltolódások bizonyos mértékben összefüggnek, attól függően, hogy a két pulzár milyen távol látszik egymástól az égen.

„Nagy számú pulzárt kellett megfigyelnünk ahhoz, hogy meglássuk azt, amit az általános relativitáselmélet által megjósolt korrelációs mintázat első jeleinek gondolunk" – tette hozzá Xavier Siemens, az Oregon State University munkatársa, a NANOGrav PFC társigazgatója.

Óriásszörnyek lehetnek a legújabb gravitációs hullámok forrásai

A NANOGrav-kutatás egyre több bizonyítékkal szolgál az éves-évtizedes időskálán rezgő gravitációs hullámok létezésére.

Az adatok azt mutatják, hogy ezen hullámok egy lehetséges forrásai olyan kettős csillagrendszereknek, amelyeknek a tagjai a világegyetem legnagyobb tömegű fekete lyukai, tömegük többmilliárdszorosa a Napénak, méretük pedig meghaladja a Nap és a Föld közötti távolságot.

Az adatok azt mutatják, hogy ezen hullámok egy lehetséges forrásai olyan kettős csillagrendszereknek, amelyeknek a tagjai a világegyetem legnagyobb tömegű fekete lyukai Forrás: Aurore Simonnet / NANOGrav Collaboration

További kutatásuk segíthet megérteni a távoli galaxisok közepén összeütköző óriási fekete lyukakat és talán más egzotikus, alacsony frekvenciás gravitációshullám-forrásokat is.

Az ELTE részt vett a gravitációs hullámok első, 2015-ös, LIGO általi detektálásában, és hozzájárult a mostani NANOGrav eredményekhez is.