Megvan az első Európában észlelt gravitációs hullám

Az utóbbi évtizedek egyik legnagyobb tudományos szenzációja volt, amikor a LIGO Tudományos Együttműködés (LSC) nevű ezer fős nemzetközi kutatócsoport tavaly bejelentette, hogy felfedezték a gravitációs hullámokat – éppen száz évvel azután, hogy Einstein megjósolta, hogy létezniük kell, de valószínűleg sose találjuk meg őket. A műszerek azóta is folyamatosan fejlődnek, és sorban jöttek az újabb felfedezések. Nézzük, hol tartottunk eddig:

• Az első észlelést tavaly februárban jelentették be, ez volt az óriási visszhangot kiváltó áttörés.
• Néhány hónappal később egy újabb hullám észlelését hozták nyilvánosságra, amivel bizonyossá vált, hogy új ága született a fizikának.
• A harmadik, eddigi legtávolabbról érkező hullám észlelését idén júniusban tették közé, ezzel pedig új korszakába lépett a kutatás.

Most pedig egy negyedik jel észlelését jelentették be a kutatók, amivel mára – legalábbis a világ top tudósai és legfejlettebb műszerei számára – rutinműveletté vált a gravitációs hullámok vadászata. Ami miatt mégis különesn érdekes ez az új észlelés, hogy

Az eddigi hullámokat felfedező két amerikai LIGO-detektorhoz ugyanis időközben betársult az olaszországi Virgo is, hogy immár a LIGO-Virgo kollaborációban folytatódhasson a munka. A gravitációs hullámok második megfigyelési időszaka tavaly november 20-án kezdődött és idén augusztus 25-én ért véget, ehhez a Virgo augusztus 1-jén csatlakozott, és már a zárásakor jelezték a kutatók, hogy ígéretes jeleket fogtak, de az adatok elemzésére akkor még várni kellett. Ezek az eredmények érkeztek most meg.

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 korábbi felfedezésekben is résztvevő magyar kutatók, hogy új érzékszervhez jutottunk: olyan, mintha eddig csak láttuk volna az univerzumot, de most már halljuk is. Na de tulajdonképpen mik is ezek a hullámok?

Gravitációs micsodák?

A gravitációs hullámok a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai, vagy másképpen fogalmazva fodrozódások a téridő szövetében. Többféleképpen létrejöhetnek, a korábban észlelt három és a most bejelentett negyedik is két fekete lyuk összeolvadásakor keletkezett.

Az első három esetben a LIGO két detektora, ezúttal pedig először a Virgo detektora is észlelte a feketelyuk-párok nagy energiájú 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 gravitációs hullámok mibenlétére, az első bejelentésről szóló cikkünkben minden fontosat megtalál. Ha nincs annyi ideje, akkor ezt a magyar kutatók által feliratozott gyorstalpaló magyarázóvideót ajánljuk:

A hullámokat úgynevezett lézer interferométerekkel tudják érzékelni a kutatók. Az első kettőt az Egyesült Államok két egymástól távoli pontján építették fel, a harmadik, a mostani hullámot már észlelő Virgo pedig Olaszországban, a Pisa közeli Cascina városánál működik.

Leegyszerűsítve mindegyik detektor egy-egy több kilométer hosszú, L alakban elhelyezett vákuumcső, amelyben egymásnak irányítanak két lézersugarat. Ezeket a sugarakat használják vonalzóként a hullámok kereséséhez, mert a fotonjaik fénysebessége állandó, így ha a szokásosnál hosszabb idő alatt érnek el ugyanoda, azzal közvetve jelzik a téridő időleges megnyúlását, vagyis a gravitációs hullámok áthaladását. Az Virgo-detektor, és tulajdonképpen általában az interométerek működését szemlélteti az alábbi videó:

A negyedik gravitációs hullám

Az új gravitációs hullámot augusztus 14-én észlelte a Virgo detektora, vagyis alig két héttel azután, hogy bekapcsolódott a mérésekbe. A hullám a dátum alapján a GW170814 nevet kapta. Tőlünk 1,8 milliárd fényévnyire keletkezett, a mi Napunknál egy 31-szer és egy 25-ször nagyobb tömegű fekete lyuk összeütközésekor. Az összeolvadásukkal egy 53 naptömegű feketelyuk keletkezett, ami azt jelenti, hogy a maradék 3 naptömegnyi energia sugárzott szét az augusztusban észlelt hullám formájában.

Ezzel az 53 naptömeges értékkel egyébként ez az összeolvadásból keletkező fekete lyuk valamivel nagyobb, mint a júniusban bejelentett hullám létrejöttekor keletkezett fekete lyuk (az 49 naptömegű volt), és összességében a második legnagyobb az eddig észlelt négy közül. (Az első 62, a második 21 naptömegű volt.)

Az új észlelést leíró tanulmány a Physical Review Letters nevű rangos szaklapban fog megjelenni.

A Virgo jelentősége

A Virgo detektorának felújítását 2011-ben kezdték meg, a cél az érzékenységének a növelése volt, hogy felzárkózzon a hullámvadászathoz szükséges szintre. Ez mostanra meg is történt, így tudott csatlakozni a mérésekhez, bár még így sem éri el az amerikai társdetektorok érzékenységét.

A feladata viszont elsősorban nem is az önálló észlelés – noha ezúttal éppen ezt történt –, hanem a mérések pontosítása. A Virgo bekapcsolódása két dologban segített a kutatóknak:

• Az egyik, hogy a közreműködésével az eddigieknél pontosabban meg lehetett határozni, honnan jött a jel, merre található a forrása.
• A másik, hogy jobban meg lehetett különböztetni a gravitációshullám-polarizációkat.

Két detektorra minimum szükség volt a hullámok keresésének megkezdéséhez, mert ha mindkettő észlelt egy jelet, azzal lehetett igazolni, hogy nemcsak környezeti zajról van szó, hanem valóban gravitációs hullámról. Ezzel viszont a jel forrását még csak igen nagy vonalakban lehet azonosítani. Itt jön a képbe a Virgo.

“A kettő detektor 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” – mondta erről a LIGO-kollaborációban résztvevő Frei Zsolt az Indexnek a tavalyi interjúban. A GW170814 lokalizálásából kapott égterület nagysága 60 négyzetfok, ami több mint tízszer kisebb, mint ha csak a két LIGO-detektort használták volna a kutatók. A forrás távolságának becslése is pontosabbá válik a Virgo segítségével.

A gravitációs hullámok léte mellett Einstein azt is megjósolta az általános relativitáselmélettel, hogy ezeknek a hullámoknak két polarizációs állapota lehet. A Virgo csatlakozásával már ezt is lehetett tesztelni, így újabb tétel pipálható ki: Einsteinnek ebben is igaza volt, ez a jóslata is beigazolódott.

"A hullámok polarizációja  azt mutatja meg, hogy a téridő hogyan változik háromdimenzióban a hullám áthaladása során" – mondta Vasúth Mátyás, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont tudományos főmunkatársa.

A Virgo együttműködésben 20 európai kutatócsoport több mint 280 fizikusa és mérnöke vesz részt. Magyar részről az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja 2010-től tagja az együttműködésnek. A csoport tagjai Vasúth Mátyás vezetésével számítástechnikai eljárások, algoritmusok, illetve hullámforma-jóslatok fejlesztésével járulnak hozzá az együttműködés munkájához. Részt vesznek továbbá az összeolvadó, nagy tömegű csillagok jeleinek keresésében és az eredményeket ellenőrző csoport munkájában is. Ezekhez a vizsgálatokhoz a Wigner Adatközpontban üzemeltetett Wigner felhő is hozzájárul.

A megfigyelési időszak lezárultával a tervek szerint még tovább növelik a Virgo érzékenységét. Több kulcsfontosságú fejlesztést is el fognak végezni, például a detektor tükreit a jelenlegi fémhuzalok helyett szilícium-dioxidból készített vékony és erős üvegszálakra függesztik fel. 2018 tavaszán egy új üzembe helyezési szakasz indul azzal a céllal, hogy egy jóval érzékenyebb detektorral vághassanak neki a 2018 őszén induló harmadik megfigyelési időszaknak. A következő években pedig a tervek szerint további detektorok készülhetnek el és csatlakozhatnak az együttműködéshez, hogy még pontosabb méréseket tegyenek lehetővé. Addig is a LIGO-Virgo együttműködés kutatói tovább elemzik az eddig begyűjtött adatokat, további érdekes jelek után kutatva.