Márta, Flóra
18 °C
31 °C

Új érzékszervet kapott az emberiség

2016.03.05. 16:33
Pár hete robbant a tudományos bombahír: felfedeztük a gravitációs hullámokat, éppen száz évvel azután, hogy Einstein megjósolta, hogy létezniük kell, és hogy valószínűleg sose találjuk meg őket. A felfedezésben résztvevő magyar csapat két kutatójával, Frei Zsolttal és Raffai Péterrel beszélgettünk a bejelentés utóéletéről, a magyar hozzájárulásról, a gravitációs hullámok jelentőségéről és a további munkáról. Na de ki kapja a Nobel-díjat?

Mi az a LIGO?

A gravitációs hullámok felfedezésén a LIGO Tudományos Együttműködés kutatói dolgoztak, és kulcsszerepet játszott benne a két LIGO-detektor, amelyek érzékelték a történelmi jelentőségű jelet.

A LIGO-detektorok lézeres interferométerrel keresik a gravitációs hullámokat. Az egyiket a louisianai Livingstonban, a másikat a washingtoni Hanfordban építették fel, jó messze egymástól, hogy ha ugyanazt a jelet érzékelik, könnyebben kizárható legyen, hogy környezeti zajról van szó.

Mindkét detektor egy-egy négy kilométer hosszú, L alakban elhelyezett vákuumcső, amelyben egymásnak irányítanak két lézersugarat. Ezeket a sugarakat használják vonalzóként a hullámok kereséséhez, mert a fotonok fénysebessége állandó, így ha hosszabb idő alatt érnek el ugyanoda, azzal közvetve jelzik a téridő megnyúlását.

Bővebb magyarázatot a magáról a felfedezésről szóló cikkünkben olvashatnak, ide kattintva.

Mesélnének kicsit a bejelentés utóéletéről? Ha az ember a világon először gravitációs hullámokat talál, tényleg úton-útfélen a teljesítménye előtt tisztelegnek, vagy a valóságban azért ez prózaibban zajlik?

Frei Zsolt (FZs): Mivel benne vagyok ebben a kutatásban, én elfogult vagyok, nem fogom megítélni, hogy ez mekkora felfedezés, vagy mennyire nem az. Ezt a kollégáim meg a közvélemény mondja el. Gratulálnak, és a sajtó érdeklődik, de mindig el szoktam mondani, hogy ha egymilliárd dollárba került a LIGO, és mi csak néhány száz millió forintnyit költöttünk erre a projektre tíz év alatt Magyarországon, akkor az az ezredrésze a költségvetésnek. Ha pedig azt nézem, hogy nagyjából ezer társszerző van ezen a cikken, és mi kilencen vagyunk magyarok, akkor ez a századrésze. Ennél nagyobb hozzájárulásnak nem tartom semmiképpen sem a mienkét.

De ha azt nézem, hogy ezredrész a ráfordítás és századrész a társszerzőség, akkor ez az átlagosnál tízszer nagyobb kihozatal, ezredrésznyi pénzből századrésznyit tettünk hozzá. Tehát amellett, hogy Magyarországon nyilvánvalóan sokkal kevesebb pénz jut a kutatásra, mint ahol a nagy LIGO-csoportok vannak, a hatékonyságunk egy nagyságrenddel jobb. Ha azt is figyelembe vesszük, hogy mekkora a tudományos ráfordítás ebben az országban, akkor a hatásfokban Magyarországon valószínűleg a világelsők között van.

A tudósaink nagyon jók, és sokkal kevesebb pénzből is tudnak mérhetőt alkotni.

Ez a 9 fős csoportlétszám mennyire számít kiugrónak?

FZs: Körülbelül kilencven kutatócsoport vesz részt a LIGO-együttműködésben. Ha ezer fő a szerzők száma, akkor nagyságrendileg ez átlag tíz fő. Ha ezt nézzük, átlagosnak tűnik a mi csoportunk mérete. De ha az eloszlást nézem, van néhány darab száz fős csoport, és nagyon sok két fős, ilyen szempontból nagynak számít a magyar csoport. Az Eötvös Gravity Research Groupban Budapesten hatan és Debrecenben hárman vagyunk jelenleg, de az elmúlt években még tizenkét ember volt tagja a csoportunknak, mert ez egy hosszú kutatómunka, ennél sokkal kevesebb idő alatt tud egy hallgató diplomát szerezni.

De milyen jól nézhet ki az önéletrajzukban, hogy részt vettek a LIGO-kutatásban.

FZs: Valószínűleg igen. Más kérdés, hogy néhányan szomorúak, mert jelentős munkát végeztek a LIGO-ban, de a LIGO-nak az az elve, hogy ha mondjuk öt éven át dolgoztak a projekten, azért öt év társszerzőség jár, a későbbi cikkeken, például most a felfedezés utánin viszont már nem lehetnek rajta. További feltétel, hogy a kutatásra szánt idő 50 százalékát rá kell szánni a LIGO-ra, hogy valaki társszerző lehessen. Éles tudományos vita folyik arról, hogy ezt hogy kellene kezelni, az én személyes véleményem az, hogy ez messze nem a legrosszabb megoldás. Azt nem tartanám igazán jónak, hogy ha valaki egyszer egy évet dolgozott egy projekten, akkor tizenöt év múlva is minden cikkre rákerül, mert így nem lehet differenciálni.

Ha már a magyar sikerek felé kanyarodtunk, mennyire van szerepe ezekben a magyar természettudományos oktatásnak? Meg vannak elégedve oktatóként a színvonallal, és ennek is köszönhető, vagy éppen ennek ellenére született meg ez a siker?

Raffai Péter (RP): Szerencsés helyzetben vagyunk, mert a csoportunkat nagyon jó egyetemi hallgatók erősítik. Az ELTE-n szenior kutatóként ketten vagyunk a csoportban Zsolttal, a többi négy fő hallgató, és elmondhatom, hogy a legjobbak jönnek hozzánk. Nekem a diákok felkészültségét tekintve pozitív a véleményem. Hogy ezt mennyiben kapják a középiskolában, és mennyit tudunk ehhez mi hozzátenni, ezt már nehéz megítélni, de nagyon elkötelezettek, szorgalmasak a hallgatók, úgyhogy én abszolút elégedett vagyok.

FZs: Én azt gondolom, hogy a magyar oktatás még mindig jó, attól függetlenül, hogy folyamatosan romlik. Azzal, hogy sokkal több embert veszünk most fel az egyetemre, mint korábban, érthetően csökken az átlagszínvonal, de most van három olyan diák velünk, akik világszínvonalúak, és minden egyetemen örülhetnének a professzorok, ha velük tudnának dolgozni. Ők Szölgyén Ákos, Bécsy Bence és Dálya Gergely. Persze évekig tartott, amíg kiszűrtük őket. Bízom abban, hogy egy ilyen felfedezés több magyar fiatalt sarkall arra, hogy egyrészt ezt a szakterületet válassza, másrészt hogy ne menjen feltétlenül külföldre egyetemre, hanem bízzon bennünk is.

A presztízsen és ezen a vonzerőn kívül egy ekkora eredmény megnyit bizonyos kapukat is? Könnyebb például támogatást kapni egy következő projekthez, ha leírhatja magáról a pályázó, hogy részt vett a gravitációs hullámok felfedezésében?

FZs: A puding próbája az evés. Az egyik pályázatunk idén, a másik jövőre jár le, ami a csoportunk munkáját az elmúlt öt évben támogatta, és kénytelenek leszünk újabb pályázatokat beadni. De eddig is nyertünk pályázatot, tehát eddig is sikeres volt a munkánk. Most azzal, hogy megtörtént a felfedezés, talán még sikeresebbnek tekinthető, és bízom benne, hogy továbbra is fogunk támogatást kapni a munkához.

Kicsit lépjünk közelebb magukhoz a gravitációs hullámokhoz. Néhány éve a Higgs-bozon is hasonló tudományos szenzáció volt, viszont nem volt olyan közvetlen, rövid távú haszna, mint mondjuk amikor Hertz felfedezte az elektromágneses hullámokat, és tíz évvel később jött Marconi a drótnélküli távíróval. Ezúttal viszont többször is lehetett hallani, hogy a gravitációs hullámok azért is érdekesek a laikusok számára is, mert még az ő életükben lehet hatása a hétköznapokra. Tudnak mondani ilyen rövid távú hasznosításra valamilyen példát, vagy ennyire azért nem kézzel fogható a dolog?

RP: Ezt egy kicsit túlzásnak érzem. Nehéz megmondani, hogy mikor várható ilyen jellegű alkalmazása. Ami a tudománynak nagy eredmény, az az, hogy a csillagászat egy teljesen új megfigyelőeszközhöz jutott. Minden eddigi megfigyelés a csillagászatban elektromágneses hullámokra épült. A gravitációs hullámok ettől független információhordozók, így

új érzékszervet kapott az emberiség, amivel a Földön kívüli világot figyelni tudja.

Rengeteg olyan dolgot megfigyelhetünk, ami fényt nem bocsát ki, elektromos töltése nincs, és abban bízunk, hogy ez közelebb juttathat minket olyan rejtélyek megfejtéséhez, hogy például mi az a sötét anyag, mi az a sötét energia. Mindkettő olyasmi, ami gravitációs kölcsönhatásban részt vesz, de másfélében nem. Ha ezeknek a mibenlétét sikerül jobban megérteni, annak beláthatatlan következményei lehetnek, és hasznosítási módhoz is juthatunk. Ez egy nyitott kérdés, de az a baj, hogy ezt nehéz megmondani előre.

Értem, hogy tudósok nem szeretnek tippelni, de azért tudnának olyan sci-fikből ismert megoldást mondani, ami közelebb kerülhet a megvalósításhoz a gravitációs hullámok kutatásával?

FZs: Ha visszatérünk a Hertz- és Marconi-féle hasonlathoz, én inkább a Faraday-féle sztorit szoktam emlegetni. Amikor az irodájában még csak alufólialemezek lengedeztek egy picit attól, hogy fel voltak töltve, fából volt az irodában az összes műszer, és olajlámpával vagy gyertyával világítottak, odament hozzá az angol pénzügyminiszter, és megkérdezte, hogy ez mire jó. Faraday azt mondta: “Azt nem tudom elképzelni, de egy biztos: előbb-utóbb maga ebből adót szedhet be.” Most mi se tudjuk elképzelni, hogy 150 év múlva hova jutunk, ő se tudta elképzelni. De kapcsoljuk csak ki a telefont, a fényképezőgépet, a számítógépünket, a lámpát, és mindjárt megértjük, mire lett jó az elektromágnes indukció. Nem hiába mondta Einstein száz éve, hogy soha nem fogjuk tudni kimutatni ezeket a gravitációs hullámokat: nem tudta elképzelni, milyen fejlődés megy végbe ennyi idő alatt, vagy hogy egyáltalán léteznek majd lézerek, amikkel mi most távolságot mérünk a LIGO-ban. Ezért nem nagyon szeretem az ilyen kérdéseket, de ezért vagyok ennek ellenére meggyőződve arról, hogy ma még nem látott hatása lehet a felfedezésnek.

Eddig mindig az történt, hogy ha új eszközt kapott a csillagászat, akkor váratlanul új dolgokat is felfedeztünk. Most azt gondoljuk, hogy a Csillagok között című filmben látottaktól még távol vagyunk, ha engem megkérdeznek, a mai eszemmel én is azt mondom, hogy erre közvetlen hatással nincs ez a felfedezés. Ennek ellenére a tapasztalatunk alapján azt mondom, hogy

sokkal gyorsabban és sokkal nagyobb hatása lesz, mint amit ma el tudunk képzelni.

Az egyébként igaz, hogy a Csillagok közöttben is majdnem benne volt a LIGO?

FZs: Így igaz, sőt forgattak is a LIGO-ban. Kip Thorne, aki a film tudományos tanácsadója és egyik producere volt, a LIGO egyik alapítója és szellemi atyja. Amikor a filmben megtörténik maga a felfedezés, hogy a Szaturnusz környékén kell lennie egy féregjáratnak, azt a LIGO-val fedezik fel az eredeti forgatókönyv szerint, és a LIGO-nál le is forgatták ezeket a jeleneket. Később a vágásnál kerültek ki, amikor úgy döntöttek, hogy csak annyi tudományt zúdítanak a nagyérdeműre, amennyiről úgy gondolják, hogy be lehet fogadni három óra alatt. De nemcsak tervekben volt, el is készült teljesen a LIGO-s rész.

Ez el is érhető valahol?

FZs: Valahol biztosan megvan. Fel is lehetne majd vetni a PR-ral foglalkozó munkacsoportban – amiben mi is benne vagyunk Péterrel ˜–, hogy ezt esetleg vegyük elő, poroljuk le és a LIGO mutasson belőle valamit.

A LIGO életében mi a következő lépés? Szeptembertől januárig tartott az első adatfelvételi időszak, aminek rögtön az elején meg is lett a felfedezés, ezek szerint még több havi adat feldolgozása folyamatban van. Olyat is lehetett hallani, hogy már vannak is olyan gyanús jelek, amik szintén gravitációs hullámok lehetnek.

RP: Az első megfigyelési időszak szeptember 18-tól január 12-ig tartott. Ez a publikáció, ami az első felfedezést tárgyalja, csak az első 33 nap adatának a kiértékelése, október 20-ig. Ez azt jelenti, hogy van még több hónapnyi anyag, aminek a kiértékelése zajlik, és ezekből szintén publikációk fognak születni. Addig ezekről az eredményekről még nyilván nem beszélhetünk. Még érdekes eredmények várhatók, de ez nyitott kérdés egyelőre.

FZs: Eddig is azt kértük, hogy hagyjanak időt arra, hogy nyugodtan kielemezzük az adatokat. Már az első 33 napi adat kielemzésére is 50 millió processzorórát szánt a LIGO-kollaboráció.

Az első felfedezésről tudható, hogy azért szivároghatott ki idő előtt a híre, mert már a hivatalos megfigyelési időszak kezdete előtt érzékelték a jelet, így a szivárgást megakadályozni hivatott mesterséges jeleket még nem táplálták be a rendszerbe. Ezek szerint most már jól zár ez a rendszer, és nincs esély hasonlóra?

RP: Igen, ez alatt az időszak alatt már ellátja a funkcióját ez a blind injectionnek nevezett kezdeményezés, tehát végig nem tudhatjuk, hogy a talált jel valódi vagy mesterséges.

Az optimistább becslések szerint akár évi több száz vagy ezer ilyen észlelés is elképzelhető rövid időn belül. Ha feltételezzük, hogy tényleg találnak még gravitációs hullámokat...

RP: Azért ezt annyiban finomítanám, hogy ez a több száz vagy akár ezer észlelés a LIGO tervezett érzékenysége mellett igaz, de ahhoz még idő kell, hogy ezt a detektorok elérjék. Most még magasabb zajszinten működnek. Miután január 12-én vége lett az első megfigyelő-időszaknak, lekapcsolták őket, és most jön a finomhangolás. Ez részben hardveres, de a szoftvereket is frissítik. Idén nyáron fog újraindulni a két detektor, ez lesz a második, az úgynevezett O2 vagy Observing Run 2. Ezt hat hónaposra tervezik, aztán megint lekapcsolás, finomhangolás, és jön a harmadik. Arra már van esély, hogy akkorra már elérik a detektorok a tervezett érzékenységüket. De az, hogy már ezelőtt megtörtént az első felfedezés, mindenképpen azt jelenti, hogy az optimista előrejelzések álltak közelebb az igazsághoz.

FZs: Azt, hogy mennyire érzékeny a detektorunk, pontosan tudjuk. Azt, hogy egy összeolvadó feketelyuk-páros milyen jelet bocsát ki, a tapasztalat mutatja, hogy szintén pontosan tudjuk, mert pont olyan jelet kaptunk, mit amilyet vártunk. Ami esetleges a dologban, és csak becsülni tudjuk, az az, hogy milyen rátával történnek meg ezek a feketelyuk-összeolvadások, ezért még mindig csak saccolgatjuk, hogy mennyit tudunk észlelni.

Én azt mondtam évekkel ezelőtt, hogy bízom benne, hogy hetente fogunk tudni majd ilyet érzékelni. Most, hogy ilyen rövid idő alatt egy ilyen szép jelet láttunk, a legoptimistábbak már azt mondják, hogy naponta.

Ha ez tényleg megvalósulna, és akár naponta-hetente találnának új hullámot, és kvázi rutinműveletté válna, akkor mi lenne az a következő lépcső, ami újra nagy eredménynek számítana? Mi a következő távlati cél?

RP: Ezek az összeolvadó feketelyuk-kettősök csak a jeleknek egy családja, a LIGO-nál van legalább négy olyan jelcsalád, amelyekben a keresés történik. De ezen az egyen belül is, ha egyre többet tudunk észlelni, akkor képek kapunk arról, hogy mennyi fekete lyuk van, milyen tulajdonságaik vannak, hol keletkeznek – az asztrofizikai modelljeinket tudjuk pontosítani és tesztelni.

Viszont ami még izgalmas kérdés, hogy milyen más jelek vannak, és mit lehet még felfedezni: szupernova-robbanások, gammafelvillanások, forgó neutroncsillagok jelei – rengeteg olyan forrás van, ami ilyen jeleket bocsát ki, és mindegyik önmagában izgalmas kérdéseket válaszol meg.

A többi készülő detektor – a Virgo, a LIGO-India, a KAGRA – bekapcsolódásával mi fog változni?

FZs: Két detektorra azért van feltétlenül szükség, mert ha egy detektor valamit talál, az lehet környezeti zaj, például hogy hullámzik a tenger 300 kilométerre, vagy elmegy egy teherautó. Ha kettő detektor van, és ugyanazt a jelet érzi, akkor állíthatjuk, hogy az kozmikus eredetű.

A kettő detektor viszont csak egy banán alakú területet jelöl ki az égen, ami a teljes égbolt egy százada, nagyságrendileg 50 ezer galaxissal, ez még túl nagy terület ahhoz, hogy lokalizáljuk a forrást. Három detektorral már háromszögeléssel meg tudjuk mondani az irányát is a jelnek. Az összes többi detektor pedig még pontosabbá teszi az egész folyamatot. Minél több van, annál érzékenyebb együttesen a rendszer, és annál pontosabban tudja megmondani a jel keletkezésének a helyét is.

RP: A KAGRA technológiai szempontból is úttörő jelentőségű lesz, ha elkészül. Először is egy bányába, föld alá építik, ami sokat segít abban, hogy alacsony frekvencián a szeizmikus zajokat szűrje. Másrészt hosszabb távon ez egy hűtött detektor lesz, amivel a tükrök hőmozgását is csökkenteni akarják. Ez lesz az első ilyen föld alatti, kriogenikus elven működő detektor, de hosszabb távon várhatóan már ilyen típusúak fognak épülni.

Ezeknek a harmadik generációs detektoroknak már nem is igazán az lesz a szerepe, hogy ugyanazokból a jelforrásokból még többet lássanak, hanem alacsonyabb frekvencián lesznek érzékenyek, mint a mostani detektorok, pont ezért épülnek föld alá.

FZs: A LIGO-val 10 hertz alatt nem tudunk mérni, mert a tengeri hullámok másodpercenként jönnek ki a partra, ez egy 1 hertzes szeizmikus rezgés, ami egy földfelszíni detektor méréseit olyan mértékben zavarja, hogy kiszűrhetetlen. Csak azt tudjuk mondani, hogy egyszerűen ezen a frekvencián már nem mérünk. Ha mégis akarunk, le kell menni a föld alá, talán ez kiszűri annyira ezt a zajt, hogy már fogunk tudni mérni ezen az alacsonyabb frekvencián is. Ez azért lesz jelentős eszköz a kozmológiában, mert nagyon nagy távolságokon is új távolságmérési módszert ad. Pontosabban megérthetjük például, hogy hogyan tágul az univerzum, mert ezt csak kisebb távolságokon tett megfigyelésekre alapozta Hubble nyolcvan évvel ezelőtt.

RP: Illetve még egy külön jeltípus létezik, a kozmológiai eredetű sztochasztikus gravitációs hullámháttér, amit szintén a harmadik generációs detektorok lehetnek majd képesek megfigyelni.

FZs: Az ősrobbanáskor, amikor szétfröccsent az anyag, létrejött egy jelháttér. Abban bízunk, hogy ha folyamatosan növeljük a LIGO érzékenységét, akkor majd ezt a hátteret is ki fogja tudni mérni.

Az űrbe tervezett LISA miben lesz más, mint a földi detektorok?

FZs: Attól függ, hogy egy detektor milyen jelre lesz a legérzékenyebb, hogy milyen a karhosszúsága. A LIGO a 10 és 100, esetleg 1000 hertz frekvenciájú gravitációs hullámokra érzékeny, mert a karhossza néhány kilométer. Ha van két aránylag pici fekete lyukam, mint a mostani jel esetében is, ezek aránylag gyorsan keringenek egymás körül. De ha megnézem a szupernehéz fekete lyukakat, amikről tudjuk, hogy a galaxisok közepében találhatók – a miénkben például egy majdnem négymillió naptömegű –, két galaxis összeütközésekor ezek is összeolvadnak. A milliós naptömegnél viszont sokkal lomhább a rendszer: a fekete lyukak nagyobb távolságokról vonzzák egymást ugyanolyan erővel, lassabban keverik a teret, a hullámok frekvenciája sokkal kisebb, és sokkal nagyobb a hullámhosszuk. Ehhez nem egy kilométer, hanem egymillió kilométer karhossszúságú berendezésre van szükség, és ezt csak az űrbe tudjuk telepíteni. A LISA-ra tehát azért van szükség, mert egy másfajta fizikát tudunk vele tanulmányozni: azt, hogy hogyan olvadtak össze, alakultak ki a galaxisok és galaxishalmazok.

Az univerzumunk keletkezésének és fejlődésének a megértéséhez juthatunk sokkal közelebb.

Remélem, hogy ez nem a most érvényes tervek szerint, 2034-ben, hanem már talán a következő évtized vége felé elkészülhet. A LISA-projektbe az amerikai NASA és az európai ESA együtt kezdett bele, de a NASA anyagi okokból úgy döntött, hogy kiszáll, és inkább sötétenergia-kereső műholdat állít pályára. Remélem, hogy a mostani felfedezés ad akkora lökést ennek a területnek, hogy ők is vissza fognak szállni a projektbe.

Arról a pár hete megjelent hírről mit gondolnak, hogy a Fermi-űrtávcső nagyjából a gravitációs hullámmal egy időben gammasugár-kitörést érzékelt, és egy friss tanulmány ezt azzal magyarázza, hogy a hullámot kiadó feketelyuk-kettős egy csillagon belül olvadhatott össze? Ez mennyire vehető komolyan?

RP: Figyeltem a frissen megjelenő szakpublikációkat, és ez a csillagon belül keringős csak egy az elméletek közül. Én legalább négy különböző elméletet olvastam, amivel próbálták ezt magyarázni. Mindegyik azt feltételezi, hogy van kapcsolat a két jel között, én ebben nem vagyok annyira biztos. Az a legnagyobb probléma, hogy nagyon pontatlan volt a gravitációs hullám forrásának lokalizációja, és ugyanez a helyzet a gammafotonokkal is, ezért nem túl meglepő, hogy átfedés van a két tartomány között. Úgyhogy nyitott kérdés, hogy ezeknek egyáltalán tényleg egybeesik-e a pozíciójuk. Ha igen, akkor jönnek ezek a lehetséges magyarázatok. Ez mindenképpen izgalmas kérdés, érdemes foglalkozni vele, de nehéz egyértelműen azt állítani, hogy a két esemény között összefüggés van.

FZs: Az a tény, hogy négy napon belül több ilyen ötlet is napvilágot látott, azt mutatja, mekkora a tudományos érdeklődés a felfedezés iránt. Az, hogy ezek közül melyik lesz helytálló, nem lehet még ilyen kapkodva eldönteni.

A bejelentés után többen azt mondták, biztosan Nobel-díjat fog érni a gravitációs hullámok felfedezése. Ha valóban így lesz, ki kapja a díjat a közel ezer kutatóból?

FZs: A jelenlegi gyakorlat az, hogy maximum három részre osztanak egy Nobel-díjat. A LIGO által Amerikában tartott sajtótájékoztatókból és abból, hogy kiket promotálnak jelenleg erőteljesen – teljesen jogosan –, úgy tűnik, hogy a LIGO szellemi atyjának és alapítójának tekintett három tudós az esélyes: Kip Thorne, Rainer Weiss és Ronald Drever. A nyolcvanas években ők kezdték el hangoztatni Amerikában, hogy a lézeres interferométer a legjobb ötlet arra, hogy gravitációs hullámot lehessen vele majd detektálni, és ők bábáskodtak a projekt elindulásakor is.