Új kor kezdődik a csillagászatban: harmadszor is gravitációs hullámokat találtak

Az utóbbi évtizedek egyik legnagyobb tudományos szenzációja volt, amikor a LIGO Tudományos Együttműködés (LSC) nevű ezer fős nemzetközi kutatócsoport tavaly februárban bejelentette, hogy felfedezték a gravitációs hullámokat – éppen száz évvel azután, hogy Einstein megjósolta, hogy létezniük kell, de valószínűleg sose találjuk meg őket. Néhány hónappal később, pont egy évvel ezelőtt jelentették be egy újabb hullám észlelését, amivel bizonyossá vált, hogy új ága született a fizikának. Most egy harmadik hullám észlelését tették közé a kutatók, ezzel pedig új korszakába lép a kutatás.

Na de mik azok a gravitációs hullámok?

A gravitációs hullámok a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai, vagy másképpen fogalmazva fodrozódások a téridő szövetében. Többféleképpen létrejöhetnek, az eddig észlelt mindhárom hullám két fekete lyuk összeolvadásakor keletkezett. Mindhárom esetben a LIGO két detektora egyszerre észlelte a feketelyuk-párok nagyenergiájú összeolvadásából származó gravitációs hullámokat. Ezek az ütközések az adott rövid időpillanatban nagyobb teljesítményt bocsátanak ki, mint amekkorát a világegyetem összes csillaga és galaxisa együttvéve fény formájában kisugároz. Ha ennél mélyebben is kíváncsi a részletekre, az első bejelentésről szóló fenti cikkünkben minden fontosat megtalál. Ha nincs annyi ideje, akkor ezt a magyar kutatók által feliratozott magyarázóvideót ajánljuk:

A hullámokat az Egyesült Államokban található két LIGO-detektorral, úgynevezett lézer interferométerrel tudják érzékelni a kutatók. 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 a szokásosnál hosszabb idő alatt érnek el ugyanoda, azzal közvetve jelzik a téridő megnyúlását, vagyis a gravitációs hullámokat.

A gravitációs hullámok megfigyelése azért fontos, mert így sokkal többet tudhatunk meg a világegyetemről. Olyan űrbéli objektumokat és jelenségeket is megfigyelhetünk a segítségükkel, amelyekről az eddigi eszközeinkkel egyszerűen nem lehetett információt szerezni. Ezért mondták a tavalyi interjúnkban a felfedezésekben résztvevő magyar kutatók, hogy új érzékszervhez jutottunk, olyan, mintha eddig csak láttuk volna az univerzumot, de most már halljuk is.

Ez az eddigi legtávolabbi hullám

A detektorok időközben jelentős fejlesztésen, finomhangoláson mentek keresztül. A LIGO-ban 2016 decemberétől idén nyár végéig tart az O2 nevű új megfigyelési időszak. A harmadik, GW170104 nevet kapott gravitációs hullámot ebben az időszakban, még 2017. január 4-én észlelték. A felfedezést a Physical Review Letters nevű folyóiratban június 1-én megjelenő szakcikkben mutatják be a kutatók.

Az alábbi videón alul a hullám, felül a keletkezésének a modellezése látható:

Ez a harmadik jel érkezett eddig a legtávolabbról: a fekete lyukak összeolvadása tőlünk 3 milliárd fényévnyire történt. (Az első és a második észlelés fekete lyukjai rendre 1,3 és 1,4 milliárd fényévnyire voltak.) Az összeolvadásból keletkezett fekete lyuk körülbelül 49-szer akkora tömegű, mint a Napunk. Ez az érték a LIGO által korábban észlelt két, szintén összeolvadásból származó fekete lyuk tömege közé esik, amelyek 62 illetve 21 Naptömegűek.

"Most már tisztán látszik, hogy a gravitációshullám-detektorok valóban új ablakot nyitnak a világegyetemre, és megkezdődhet az asztrofizika ezen új ágának megfigyelési korszaka" – mondta Frei Zsolt, az ELTE professzora, a gravitációs hullámok kutatásában részt vevő ELTE-s tagcsoport vezetője.

A kérdés már nem az, hogy tudjuk-e észlelni a gravitációs hullámokat, mivel ez a harmadik megtalált jel után immár kétséget kizáróan bebizonyosodott. A kérdés most már az, hogy hogyan és mire tudjuk használni ezeket a jeleket az asztrofizikában és a világegyetem megértésében.

Az első bizonyíték a fekete lyukak egy típusára

A legújabb észlelés arról is árulkodik, hogy a fekete lyukak milyen irányú tengelyek körül forogtak. Miközben a fekete lyukak egymás körül keringenek, egyúttal a saját tengelyük körül is forgást végeznek, mint amikor két forgó korcsolyázó egymás körül táncol a jégen. A fekete lyukak esetenként a keringésük tengelyével azonos irányban forognak – amit az asztrofizikusok összehangolt forgásnak neveznek –, néha pedig a keringési tengellyel ellentétes irányban végzik a forgásukat. Sőt, a fekete lyukak forgástengelye akár ferdén is állhat a keringés síkjához képest – vagyis végső soron bármilyen irányba mutathat a forgástengelyük.

A LIGO által most észlelt jel tulajdonságai arra utalnak, hogy legalább az egyik fekete lyuk forgástengelye más irányba állt, mint a kettős keringési tengelye. Több LIGO-észlelésre van szükség ahhoz, hogy egyértelmű kijelentést lehessen tenni a feketelyuk-kettősök forgásáról, de már a jelenlegi adatok is elárulnak valamit a kettősök létrejöttéről.

Most először van bizonyítékunk arra, hogy két fekete lyuk forgása nem összehangolt, ami arra utal, hogy az észlelt kettős egy sűrű csillaghalmazban, befogódással keletkezett

– mondta Raffai Péter, az ELTE adjunktusa, aki szintén részt vett a felfedezésekben.

A magyar kutatásokat is igazolja

"Az ELTE tagcsoportjaként az elsők között voltunk a LIGO kollaborációban, akik ezzel a keletkezési mechanizmussal foglalkoztunk. A mostani felfedezés megerősítést jelent a számunkra abban, hogy a kutatásainkkal jó úton haladunk" – mondta Raffai.

Két alapmodell létezik arra, hogy a feketelyuk-kettősök hogyan jöhetnek létre:

• Az első modell szerint a fekete lyukak együtt keletkeznek: egy kettősrendszert alkotó csillagpár mindkét tagja szupernóvaként felrobban, amiben, mivel az eredeti csillagok összehangoltan forogtak, a keletkező fekete lyukak forgása is összehangolt marad.
• A másik modell szerint a fekete lyukak csak a kialakulásuk után találkoznak egymással, sűrű csillaghalmazokon belül. A fekete lyukak azután alkotnak kettősrendszert egymással, hogy mindketten a csillaghalmaz közepébe süllyedtek. E folyamat eredményeként a fekete lyukak bármilyen irányban foroghatnak a keringés síkjához képest.

Mivel a LIGO több bizonyítékát látja annak, hogy a most bejelentett GW170104 fekete lyukai nem összehangoltan forogtak, az adatok valamivel jobban alátámasztják a sűrű csillaghalmazokban keletkezés elméletét.

“A tanszékünkön folyó asztrofizikai kutatások több szállal is kapcsolódnak a most születő gravitációshullám-asztrofizika témaköréhez. Kocsis Bence egy ERC Starting Grant nevű kutatási ösztöndíjat nyert, és sűrű csillaghalmazok fizikájával foglalkozik az ELTE LIGO tagcsoportjával együttműködve. Pontosan ilyen környezetben alakulnak azok a feketelyuk-párok, amelyeknek gravitációshullám-jelét most észleltük” – mondja Frei Zsolt.

Einstein újabb igazolása

Az észlelés ismét próbának vetette alá Albert Einstein gravitációelméletét. A kutatók például egy diszperziónak nevezett jelenséget is kerestek, amely fényhullámoknak egy anyagi közegen történő áthaladásakor is fellép, például üvegben, ahol a fényhullámok a hullámhosszuktól függő sebességgel haladnak át: a prizmák ennek segítségével hoznak létre szivárványt. Einstein általános relativitáselmélete kizárja a gravitációs hullámok diszperzióját a forrásuktól a Földig tartó útjuk során. A LIGO – az elmélet várakozásaival összhangban – nem is találta nyomát ennek a jelenségnek.

"Az első három közvetlen gravitációshullám-észlelést elemezve, a kutatók az általános relativitáselmélettől való olyan eltérések lehetőségét vizsgálták, amelyekben sérül a lokális Lorentz-invariancia, vagyis a modern fizikai elméletek egyik alapkövetelménye. Bizonyos kvantumgravitációs elmélet-jelöltek esetében így a gravitáció a fénysebességtől különböző sebességgel terjedne. Az észlelések elemzése azt mutatta, hogy az eltérés kimutathatatlan" – mondta Gergely Árpád László, a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) professzora, az SZTE LIGO- csoportjának vezetője.

Még tovább finomodik az új érzékszerv

"A LIGO műszerei lenyűgöző érzékenységet értek el. Arra számítunk, hogy a Virgo, az európai interferométer, ezen a nyáron kibővíti majd a detektorok hálózatát, ami a jelek forrásainak jobb lokalizálásához segít majd minket" – mondta a bejelentés kapcsán Jo van den Brand, a LIGO-val együttműködő európai Virgo Kollaboráció szóvivője, a holland Nikhef intézet fizikusa, és az amszterdami VU Egyetem professzora. "Az ezt célzó fejlesztések ez év elején befejeződtek, és a május elején sikeresen lezajlott első tesztfutások alatt a detektor minden részrendszere megfelelően működött." – mondta Vasúth Mátyás, a Wigner Virgo csoport vezetője. "A detektor finomhangolásával és a zajforrások kiszűrésével az érzékenység növekszik, és a Virgo hamarosan csatlakozhat a LIGO detektorokhoz az univerzum eredetének és fejlődésének vizsgálatában."

A LIGO-Virgo együttműködés kutatói tovább folytatják a legújabb LIGO adatok átfésülését, a világegyetem távoli régióiból érkező téridő-fodrozódások után kutatva. További technikai fejlesztéseken is dolgoznak a LIGO következő adatgyűjtő időszakára készülve (ez lesz majd az O3), amely várhatóan 2018 végén kezdődik el, miután a detektorok érzékenysége ismét tovább fog javulni.

Az összeütköző fekete lyukakból származó gravitációs hullámok harmadik megerősített észlelésével a LIGO hatékony eszköznek bizonyult a világegyetem sötét objektumainak megfigyelésére" – mondta David Reitze a Caltechről, aki a LIGO laboratórium ügyvezető igazgatója. "Miközben a LIGO egyedülállóan alkalmas az ilyen típusú események megfigyelésére,

abban reménykedünk, hogy hamarosan olyan, másfajta asztrofizikai eseményeket is meglátunk majd, mint amilyenek például a neutroncsillagok nagyenergiájú ütközései.