Rieth József: Világképem - Háttérismeret

Pásztor Balázs:

Gravitációs hullám-trófea

<<< Tartalomjegyzék <<<  Világképem <<<     

Óriási felfedezéseknek lehettünk tanúi a napokban: az emberiség először érzékelt gravitációs hullámokat. Egy új világ nyílt meg ezzel előttünk: mintha egy új érzékszervünk nőtt volna, és olyan dolgokat, jelenségeket, hullámokat „látnánk" velük, amelyeknek a létezéséről eddig fogalmunk sem volt.

Igazság szerint azért azt, hogy léteznek gravitációs hullámok, már 100 éve sejtettük. Einstein akkor tette közé általános relativitáselméletét, amelyből levezethető ezeknek a hullámoknak a létezése. A relativitáselmélet több más „jóslatára" találtak már azóta bizonyítékokat (ilyen például a gravitációs lencsézés, amelyet már 1919-ben megfigyeltek), de ezeket a téridő szerkezetét megrezgető hullámokat még nem sikerült megfigyelni. Pedig próbálkoztak a fizikusok már régóta, sokféleképpen. A legígéretesebb módszer — az, amelyik végül most sikerrel járt — az interferométeres távolságmérés. Ezekben a berendezésekben két, egymásra merőleges, hosszú karban, erős vákuumban lézerfénnyel mérik a karok végén elhelyezett tükrök távolságát. A két karban futó lézerfényhullámok hol kioltják, hol erősítik egymást, attól függően, hogy a távolság a két kar között változott-e — vagyis jött-e gravitációs hullám.

A világon több interferométer „várja" a gravitációs hullámok érkezését — ezek közül némelyik (például a hatszáz méteres karokkal rendelkező német GEO) nem elég érzékeny, némelyik (például a 4 km-es karú, elvileg eléggé érzékeny, de éppen átépítési szakaszban lévő olaszországi VIRGO) nem volt bekapcsolva, így az elsőség a LIGO kollaboráció két, Amerikában működő interferométeréhez kötődik. 2015. szeptember 14-én mindkét műszer erős jelet érzékelt — ezzel megtörtént az emberiség első találkozása a gravitációs hullámok által „kirajzolt" világgal.

Rezgések a téridőben

De mik is azok a gravitációs hullámok, és mit tudhatunk meg a tanulmányozásukkal?

A gravitációt a fizikusok ma már nem erőhatásokkal magyarázzák, mint Newton tette. Az általa leírt szabályosságok a Naprendszer szintjén még elég jó közelítéssel működtek, de nagyobb léptékben már megmagyarázhatatlan furcsaságok akadtak. Einstein óta viszont a fizikusok már egészen másképp gondolkodnak erről: a nagy tömegek „behorpasztják" a téridőt a környezetükben. Ha a világegyetemet — kicsit leegyszerűsítve — úgy képzeljük el, mint egy nagy gumihálót vagy gumilepedőt, akkor azt látnánk, hogy a nagy tömegű testek körül olyan módon nyomódna ez be, mint ahogy egy súlyos billiárdgolyó nyomja be a puha matracot. Minél nagyobb tömegű egy test, annál nagyobb „gödröt" képez a téridőben — a Föld kisebbet, a Nap nagyobbat, egy neutroncsillag vagy egy fekete lyuk pedig nagyon-nagyon mélyet. Az, hogy például a Föld kering a Nap körül, annak köszönhető, hogy ebből a gödörből nem tud szabadulni — a falán köröz körbe-körbe.

Ha nagyon nagy tömegű testek gyorsulnak az Univerzumban, akkor a téridőnek ez a gumihálóval jellemzett szövete hullámzásba jöhet. Ha például két fekete lyuk kering egymás körül, vagy ha felrobban egy szupernóva — az megrezgeti a téridőt. Ez a rezgés továbbterjed a térben — ez a gravitációs hullám, ami végül eléri a Földet, ahol megpróbáljuk észlelni. Ezt úgy kell elképzelni hogy a téridő az egyik irányban egy icipicit megnyúlik, a másik irányban meg egy picit összenyomódik. Ezt a megnyúlást viszont nagyon nehéz érzékelni. Egyrészt, bármilyen vonalzóval mérnénk is, nem észlelnénk semmit — hiszen a vonalzó, annak rovátkái ugyanúgy összenyomódnának és megnyúlnának a hullám hatására. A megoldás a fény: ha a tér megnyúlik, a fény hosszabb idő alatt ér egyik pontból a másikba, ha pedig összemegy, rövidebb idő alatt ér oda.

A másik probléma a mérési pontosság: hihetetlenül kicsi távolságokról van szó. A most sikerrel járó LIGO műszerek négy kilométeres karjai végén a lézerfényt visszaverő tükrök közötti távolság egy erős gravitációs hullám hatására is csak 10-19 méternyit változik meg: ez körülbelül egy proton átmérőjének néhány tízezred része.

Hihetetlenül nagy pontosságra van szükség — elképzelhető, hogy menynyi zavaró tényező teheti tönkre a műszerek finom beállítását. A szeizmikus mozgások, az infrahangok, ha elmegy a közelben egy autó - ez mind megzavarhatja a mérést. Ezek ellen a hatások ellen mindenféle trükköt bevetnek a gravitációs hullámok kutatói: többszörös felfüggesztésű ingákra teszik a tükröket, ezzel zárva ki a szeizmikus mozgásokat, és magyar fejlesztésű, hiperérzékeny mikrofonokkal figyelik a zavaró infrahangjeleket, amelyek például az űrhajók fellövésekor keletkeznek, és akár többször is megkerülhetik a Földet. A zavarások kiszűrésének legfontosabb módja pedig az, hogy egymástól függetlenül két detektornak kell érzékelnie a gravitációs hullám jelét. A LIGO-kollaborációnak jelenleg két, hajszálra egyforma obszervatóriuma van egymástól 3000 km-re, az egyik Hanfordban, Washington államban, a másik pedig Livingstone-ban, Louisianában. Terveznek egy harmadik detektort is, amit valószínűleg Indiában építenek majd fel, és adatcsere egyezményt kötöttek az olasz VIRGO kutatóival is - az ő detektoruk azonban még nem működött a mostani észlelés alatt.

Magyar kutatók a LIGO-ban

A LIGO tudományos kollaboráció a 90-es évek óta fejleszti detektorait, amelyeket a gravitációs hullámok felfedezésére, észlelésére építettek. Az elmúlt évtizedekben egymilliárd dollárt költöttek rá, és több mint 1000 tagja van a tudományos kutatói együttműködésnek — köztük magyarok is. Az Eötvös Gravitációkutató Csoport (Eötvös Gravity Research Group, EGRG) 2007-ben csatlakozott a kollaborációhoz. Frei Zsolt, a csoport vezetője elmondta: „A LIGO sikerében azért bíztam már 2001-ben is, amikor csoportommal csatlakoztam ehhez a kísérlethez, mert a LIGO már a 90-es években elmondta, hogy milyen ütemben és hogyan fogják az érzékenységet növelni. 2007-re látszott, hogy az addig eltelt 10 évben be tudták tartani az ígéretüket. Az akkori érzékenységgel még nem lehetett gravitációs hullámokat megfigyelni, de megvolt benne a lehetőség, hogy ha a fejlesztést hasonló ütemben tudják folytatni, akkor mára eljutunk a felfedezésig."

A LIGO hanfordi 'mterferometere a 4 kilométer hosszúságú karokkal

A LIGO működése szakaszos: egy-egy hónapokig tartó mérési szakaszt fejlesztés, bővítés követ, amelynek során a tapasztalatokat figyelembe véve egyre növelik az érzékenységet. A mérési periódus során „kivetik a hálót": a sikerhez arra van szükség, hogy a „közelben" legyen olyan esemény, amely gravitációs hullám kibocsátásával jár; például fekete lyukak összeolvadása. Aztán újabb átépítés, finomhangolás következik, és újabb „fülelés" - ilyenkor már nagyobb, és sűrűbb a „háló", nagyobb eséllyel „akad fenn" rajta valamilyen gravitációs hullámmal járó esemény.

Egy kétéves átépítés után 2015 szeptemberében kezdték meg a legújabb mérési periódust a kutatók. Az átépítés során olyan változtatásokat építettek be, amelynek hatására tízszer érzékenyebb lett a berendezés: az eddigi 100 millió fényév helyett már egymilliárd fényéves távolságból érzékelhetjük a gravitációs hullámokat; ennyivel nagyobb és sűrűbb a háló, amivel ezekre „halászunk". Valójában majd csak pár év múlva éri el a műszer ezt az érzékenységet, addig sorozatos finomhangolásra van szükség — nagy volt a meglepetés, hogy rögtön az elején olyan erős gravitációs hullámjelet érzékeltek, amely még úgy is fennakadt a hálón, hogy az még nem volt teljesen kész. De nem csak ez, más érdekesség is akad ezzel a mostani felfedezéssel kapcsolatban.

Hamis jelek?

Bár nem volt kizárt, hogy az eddigi mérési szakaszok alatt is találnak gravitációs hullámot, de ilyenre eddig nem volt példa. Pedig olyan előfordult már, hogy pontosan olyan jelalakot találtak az adatsorokban a kutatók, mint amire vártak... Ezeket a jeleket egy háromtagú bizottság juttatta be az adatokba: arra voltak kíváncsiak, hogy a kutatók, az adatelemző algoritmusok, a műszerek észreveszik-e ezt a hamis jelet, és hogyan sikerül ezeket feldolgozniuk? Ilyenkor persze nagy az izgalom, hónapokig tart az adatok kiértékelése, és csak akkor derül ki, hogy a hullámészlelés valódi volt-e, vagy a titkos mesterséges jel, amikor már a tudományos cikk is beküldésre készen áll. Raffai Péter, az EGRG kutatója személyesen is jelen volt az egyik ilyen alkalommal, tudományos műszakfelügyeletet látott el a LIGO living-stone-i obszervatóriumában, és ott volt hónapokkal később, a „borítékbontásnak" nevezett ceremónián is, ahol kiderült, hogy mesterséges volt-e a jel. „Rendkívül színpadiasán zajlik ez az esemény, egy LIGO nemzetközi konferencia alatt került rá sor. A pezsgők már be voltak készítve, vártuk a felfedezés ünneplését — de kiderült, hogy ezúttal csak egy próbatétel volt, mesterséges jelről volt szó." Természetesen ezek a mesterséges, hamis jelek is fontos információkat szolgáltatnak a kutatóknak arról, elég érzékenyek-e a műszereik, algoritmusaik, és megfelelő-e a tudományos munkájuk. De vajon nem lehet, hogy a mostani bejelentés kapcsán is csak ilyen mesterséges jelről van szó?

A mostani észlelés 2015. szeptember 14-én történt. A LIGO hivatalos mérési szakasza azonban csak négy nappal később, 18-án kezdődött volna — vagyis onnantól lehetett volna a mesterséges jeleket is bevinni a rendszerbe. A kétéves átépítés után azonban ekkor már teljes érzékenységgel működött a rendszer, úgynevezett mérnöki üzemmódban: tesztelték a berendezéseket. Ebben a fázisban érkezett az erős gravitációs jel, amelyet mind a két LIGO-detektor érzékelt. Rögtön kizárták tehát a lehetőséget, hogy ezúttal is hamis próbajelről van szó — biztosra lehetett venni, hogy most valódi a jel forrása. De, mielőtt a kollaboráció tagjai nyilvánosságra léptek a felfedezéssel, ki kellett deríteni, hogy pontosan miről is van szó — és csak miután a szakmai közösség minden kétséget kizáróan bebizonyította és megvitatta a gravitációs hullámjel valódiságát és tulajdonságait, akkor kerülhetett sor - hónapokkal később - a mostani bejelentésre.

Mit tudunk?

A mostani jel két egymásba spirálozó, összeolvadó fekete lyukból érkezett. A fekete lyukak ütközése, összeolvadása akár több millió évig eltarthat — de a jel összesen kéttized másodperces. Hogyan lehetséges ez? Az egymás körül keringő, egymás felé lassan spirálozó fekete lyukak keltenek gravitációs hullámokat - de igen gyengéket. A LIGO műszerei azok észleléséhez nem elég érzékenyek. Ahogy egyre közelebb kerülnek egymáshoz a fekete lyukak, egyre gyorsabban, vadabbul keringenek, egyre nagyobb hullámokat keltenek — míg végül az összeolvadáskor keltik a legnagyobb jelet. Ennek a folyamatnak az utolsó kéttized másodpercét „láttuk" tehát a LIGO-val. Ez is egy olyan felfedezés, amelyben első a mostani: még sosem sikerült fekete lyukak összeolvadásáról közvetlen bizonyítékot szerezni!

A jelekből ezen kívül rengeteg más, lélegzetelállító információt hámoztak ki a kutatók. Kiderült, hogy a kéttized másodperc alatt a két fekete lyuk nyolcszor (!) kerülte meg egymást, mielőtt összeolvadtak. A két fekete lyuk tömege 29 és 36 naptömegnyi volt —. az egyik körülbelül akkora, mint a Dunántúl, a másik pedig mint az Alföld. Azt is kiszámolták, hogy az összeolvadás után visszamaradt nagy fekete lyuk 62 naptömegnyi — vagyis Einstein híres E=m x c egyenlete alapján 3 naptömegnyi anyag energiává alakult át, amely gravitációs hullámok formájában kisugárzódott. Ez körülbelül háromezerszer akkora energia, mint amekkora egy szupernóva-robbanás során felszabadul, és 4—5 ezerszer annyi, mint amennyit a Napunk teljes élettartama során kisugároz. Ezzel pedig ez a mostani felfedezés vált az eddig látott legnagyobb energiájú jelenséggé, amelyet közvetlenül észlelt az emberiség...

Nagy öröm, hogy magyar kutatók is sajátjuknak érezhetik ezt a tudománytörténetileg is rendkívül jelentős felfedezést. Frei Zsolt csoportja elméleti és gyakorlati munkával is részt vesz a LIGO kollaborációban. Az ő fejlesztésük az a szuperérzékeny mikrofon, amellyel az infrahangjeleket szűrik ki — ezekből 3-3-at építettek be az amerikai LIGO műszerekbe, online felügyeletüket Debrecenben, az Atomkiban végzik. Az EGRG kutatói részt vesznek a műszakfelügyeletekben is. Kiszámolták, hogy milyen jel várható akkor, ha két fekete lyuk nem egymásba zuhan, hanem elnyújtott pályán kering egymás körül — ha ezekre is optimalizálja a keresőszoftvereket a LIGO, akkor ilyen jelekből valószínűleg többet is fogunk érzékelni. A magyar kutatók számolták ki azt is, hogy hol és milyen irányultsággal kell a harmadik LIGO obszervatóriumot felépíteni Indiában, hogy a lehető legjobb hatásfokkal érzékelhessék a hullámokat, és ők készítenek galaxiskatalógust, amelynek segítségével meghatározható, honnan, melyik galaxisból jött a jel.

Az asztrofizikusok ugyanis már azon gondolkodnak, milyen asztrofizikai megfigyeléseket lehet majd tenni gravitációs hullámokkal. Ehhez az első lépés, hogy egyszerre figyeljünk meg valamit gravitációs hullámok és elektromágneses hullámok segítségével. Eddig ugyanis mindent, amit megismertünk a Világegyetemről, azt elektromágneses hullámok segítségével tudtuk meg. Akár rádiótávcsővel, akár röntgentávcsővel, akár fénytávcsővel néztük az eget, az mind egyetlen jelenségen alapul.

Mostantól ez megváltozik: a gravitációs hullámok segítségével egy egészen új világ rajzolódhat ki előttünk.

<<< Tartalomjegyzék <<<  Világképem <<<     

-------------------

230-232 ■ Élet és Tudomány • 2016/8

http://ligo.elte.hu/detections/media170817.php

http://www.vilaglex.hu/Lexikon/Html/GravitHul_.htm