Valér
-1 °C
0 °C

Rögtön négy új gravitációs hullámot is találtak

2018.12.03. 23:52
  • Lezárult a gravitációs hullámokra vadászó LIGO-VIRGO kollaboráció második megfigyelési időszaka, és a kutatók négy új hullámjel észlelését jelentették be.
  • Az egyik új fogás az eddigi legnagyobb tömegű és legtávolabbi forrásból származó jel.
  • A közreműködés magyar kutatói saját fejlesztésű miniműholdflottát terveznek, amellyel jelentősen felgyorsítanák az összeolvadó neutroncsillagok helyének azonosítását.
  • Közben jól halad az új detektor, az óriási, űrbe tervezett LISA építése is.

A LIGO ezer fős nemzetközi kutatócsapata még 2016 februárjában jelentette be az első gravitációs hullám észlelését, ami óriási tudományos szenzációnak számított. Aztán szépen sorban érkeztek a további hullámjelek, amelyekkel egyre inkább rutinná vált a gravitációs hullámok azonosítása.

A gravitációs hullámok a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai, vagy másképpen fogalmazva fodrozódások a téridő szövetén. Többféleképpen jöhetnek létre, eddig leginkább két fekete lyuk összeolvadásából származóakat ismertünk meg – egyetlen kivétellel: a tavaly októberben bejelentett hullám két neutroncsillag találkozásakor jött létre, és a felfedezése csillagászati mérföldkőnek számított. A gravitációs hullámokról és jelentőségükről az akkori cikkünkben olvashatnak részletesebben.

Az eddigi legnagyobb és legtávolabbi

A kutatók most bejelentették, hogy az amerikai LIGO kettő, illetve az időközben bekapcsolódó európai VIRGO harmadik detektorával négy újabb feketelyuk-összeolvadásból származó gravitációs hullámot találtak, és egyúttal katalógusba is rendezték az eddigi felfedezéseket.

A négy új észleléssel összesen tíz feketelyuk-összeolvadásból, illetve egy neutroncsillag-összeolvadásból származó jelet észleltek, azaz már tizenegynél jár az eddig azonosított gravitációs hullámok száma.

A korábbiakhoz hasonlóan a négy új jel is az észlelése dátuma után kapta a nevét: GW170729, GW170809, GW170818, és GW170823. Ahogy a dátumokból is látszik, mindössze 26 nap telt el az első és a negyedik észlelése között, ráadásul két már korábban bejelentett hullámjelet is ebben a viszonylag rövid periódusban azonosítottak.

Az újak közül leginkább az első, a GW170729 érdekes, mert ez az eddig ismert legnagyobb tömegű és legtávolabbi forrásból származó gravitációs hullám: 5 milliárd évvel ezelőtti eseményből származik, és közel öt naptömegnyi energia szabadult fel a keletkezésekor.

Érdemes még kiemelni a 2,5 milliárd fényév távolságból érkező GW170818 jelet, amelynek a forrását 39 négyzetfok pontossággal sikerült belőni – ezzel a többféleképpen is megfigyelhető neutroncsillag-összeolvadást leszámítva ennek a hullámnak a forrását sikerült eddig a legpontosabban elhelyezni.

Ezen a videón együtt figyelhető meg az eddigi tíz feketelyuk-összeolvadásból származó gravitációs hullám:

A hullámvadászok eddig két megfigyelési időszakon vannak túl. Az első 2015. szeptember 12-től 2016. január 19-ig tartott, és három feketelyuk-összeolvadásból származó jelet produkált. A második 2016. november 30-tól 2017. augusztus 25-ig tartott, és a mostani néggyel együtt hét feketelyuk-összeolvadásból, illetve egy neutroncsillag-összeolvadásból származó jelet eredményezett.

A műszereket az egyes időszakok között finomhangolják, hogy a következő felvonásnak még nagyobb érzékenységgel vágjanak neki. A harmadik megfigyelési időszak jövő tavasszal, április környékén indul majd.

Magyar miniműholdak vadásznak majd gamma-kitörésekre

A tavaly októberi felfedezés azért emelkedett ki a többi hullámjel közül, mert a fekete lyukakéval ellentétben a neutroncsillagok összeolvadása hagyományos csillagászati eszközökkel is megfigyelhető: sikerült azonosítani ugyanennek az eseménynek a gamma-kitörését, majd annak a látható utófényét is. Ezzel a három fronton zajló megfigyeléssel a többcsatornás csillagászat korába léptünk.

A magyar kutatók már akkor is minden korábbinál közvetlenebb szerepet játszottak a felfedezésben: a látható utófényt felfedező csillagászok közül a legtöbb az ELTE-s kutatók GLADE nevű galaxiskatalógusát használta a felfedezéshez.

“A galaxisok csak 1 százalékát töltik ki az adott égterületnek. Sokkal kevesebb irányba kell nézni a távcsővel, hogyha tudják, hol találhatók galaxisok, és csak ezeket kell megfigyelni, nem feleslegesen pásztázni a teljes területet” – magyarázta az Indexnek Frei Zsolt, az ELTE-s LIGO-tagcsoport vezetője.

Az eddig észlelt gravitációs hullámok térképe.
Az eddig észlelt gravitációs hullámok térképe.
Fotó: LIGO-VIRGO

A magyar csapat viszont most azon dolgozik, hogy még a galaxiskatalógus használatát is fölöslegessé tegye, és gyakorlatilag azonnal meg tudják mondani a csillagászoknak, merre kell fordulniuk egy-egy gamma-kitörés után.

Ehhez a CubeSat nevű miniműholdat szeretnék használni, rögtön egy egész flottát.

Egyre gyakrabban találkozni az utóbbi években ilyen miniműholdas projektekkel. Két CubeSat kísérte el például a november végén a Marson landoló InSight űrszondát, illetve ilyen volt a Masat-1, az első magyar műhold is. (És már javában készül a második.)

Maga a CubeSat egy 10x10x10 centiméteres egység. Frei Zsolték három egységből álló, 10x10x30 centiméteres műholdakkal dolgoznak, ezekből szeretnének egy kilenc darabból álló flottát Föld körüli pályára állítani, méghozzá már öt éven belül.

Frei Zsolt szerint magyar pályázati forrásból már el is kezdték a fejlesztést, és még keresnek hozzá további forrásokat is. Magukat a műholdakat egy cég Magyarországon le tudja nekik gyártani, a gammadetektorokat Japánból szerzik be rájuk, és mindezt az ELTE és az MTA Csillagászati Kutatóintézet kutatói fogják integrálni.

“Akárhol is történik meg a neutroncsillagok összeolvadása, az szinte azonnal gamma-felvillanással jár. Ha kilenc darab ilyen szatellit kering majd a Föld körül, akárhol is történik az égen az esemény, rögtön észlelni fogjuk. Ha három műhold látja, az már elég pontos iránymeghatározást tesz lehetővé, ha öt, akkor a lokalizáció még pontosabb.”

Akkor már galaxiskatalógus se fog kelleni, hanem azonnal meg fogjuk tudni mondani, hogy pontosan hol van a jel, és már lehet is arra fordítani az összes távcsövet

– mondja Frei Zsolt.

Frei Zsolt
Frei Zsolt
Fotó: Bődey János / Index

A projekt azért is ígéretes, mert Frei szerint mire megvalósul, addigra az összes ma az űrben lévő gamma-detektornak le fog járni az élettartama. De még ha működésben is maradnának, egyik se tudná olyan nagy pontossággal meghatározni a jel helyét, mint a magyar flotta – éppen azért, nem flottáról, hanem csak egy-egy detektorról van szó, amelyek csak egy-egy irányba érzékenyek.

Persze az apró CubeSatok csak a LIGO-jelek lokalizálására lennének alkalmasak, a sokkal jobb képet alkotó valódi gamma-detektorokat nem tudják kiváltani, de ez nem is céljuk.

Már készül az óriási űrdetektor

A másik ígéretes fejlesztés a gravitációs hullámok észlelése terén a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) nevű új detektor, amelynek az a különlegessége, hogy az űrben fog keringeni, mert a mérete a ma használt földi detektorokénak az egymilliószorosa lesz.

A LISA-t az európai űrügynökség, az ESA építi másfél milliárd euróból. Korábban a NASA is benne volt a projektben, aztán kiszálltak, hogy inkább a sötét energia kutatására összpontosítsanak, de a LIGO sikerét látva újra csatlakoztak, és be is dobtak 500 millió dollárt a közösbe, illetve vállalták, hogy megépítik LISA lézerrendszerét – mondja Frei Zsolt.

A gravitációs hullámokat úgynevezett lézer interferométerekkel tudják érzékelni a kutatók. Ezek a detektorok leegyszerűsítve több kilométer hosszú, L alakban elhelyezett vákuumcsövek, amelyben egymásnak irányítanak két lézersugarat. Ezeket a sugarakat használják vonalzóként a hullámok kereséséhez, mert a fotonjaik fénysebessége állandó, így ha mégis a szokásosnál hosszabb vagy rövidebb idő alatt érnek el ugyanoda, azzal közvetve jelzik a téridő átmeneti megnyúlását vagy összehúzódását – vagyis a fénysebességgel közlekedő gravitációs hullámok áthaladását.

A ma működő három földi detektor 4 kilométeres karokkal rendelkezik. A LISA három műholdból fog állni, amelyek lézerrel mérik a távolságot egymás között, kvázi ezek lesznek a karjai. Ezek a karok viszont 5 millió kilométeresek lesznek, tehát nagyságrendileg egymilliószor nagyobbak a mostani detektorokénál.

“Egy detektor olyan jelekre érzékeny, amilyen hosszúságú a karja. Ha néhány tíz naptömegű feketelyukpáros olvad össze, az egy elég gyors rendszer, rövid a hullámhossza, az ilyet érzékeli a LIGO és a VIRGO. Ha a galaxisok középpontjában lévő több millió naptömegű szupernehéz fekete lyukak olvadnak össze, ezeknek a nagyon nagy tömeg miatt sokkal lomhább a ritmusuk és egymilliószor hosszabb a hullámhosszuk, ezért kell ennyivel hosszabb karral rendelkező detektort építeni. Ezt viszont csak az űrbe lehet, hiszen egy kar hossza több mint tízszer akkora, mint a Föld-Hold távolság. És ezzel teljesen másfajta fizikát lehet majd tanulmányozni” – mondja Frei Zsolt.

A LISA-t jelen állás szerint 2034-re ütemezi az ESA, de Frei optimista, mert úgy látja, a projekt jól halad, és lát esélyt arra is, hogy akár egy fejlesztési ütemmel előbb, már 2028-ban útnak indulhat az űrdetektor.

Az amerikai LIGO kollaborációban az ELTE kutatói működnek közre Frei Zsolt vezetésével, illetve a Szegedi Tudományegyetem csoportja Gergely Árpád László vezetésével. (A négy új gravitációs hullám egyikét, a GW170823 hullámot a szegedi csoport mutatta ki az úgynevezett PyCBC elemzési módszerrel.) Az európai VIRGO kollaborációban Magyarország az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont révén vesz részt, ezt a csapatot Vasúth Mátyás vezeti.

Újra előkerültek a kritikusok

A gravitációs hullámok kutatása egyértelmű sikersztori, a LIGO három kulcsfigurája még szokatlanul gyors Nobel-díjat is kapott érte tavaly, és a tudományos közösség többsége lelkesen fogadta az elmúlt évek eredményeit. Van azonban egy kutatócsoport, amely már fél évvel az első észlelés bejelentése után azzal állt elő, hogy szerintük nincs is rá bizonyíték, hogy a LIGO valóban gravitációs hullámokat talált.

A koppenhágai Niels Bohr Intézet csapata épp néhány hete bukkant fel újra. Bár ők maguk eredetileg nem gravitációs hullámokkal, hanem a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzással foglalkoznak, újraelemezték a LIGO által közzétett adatokat, és arra jutottak, hogy a LIGO-sok nem megfelelően kezelték a zajt, amelytől a jeleket el kell választani.

Mivel nagyon apró jeleket kell érzékelni, a gravitációshullám-vadászatban kulcsfontosságú a zajok (természetes földmozgások, emberi tevékenység által gerjesztett rezgések, stb) kiszűrése. Ezért is fontos, hogy a detektorok egymástól távol legyenek, így meg tudják erősíteni az észleléseket: mivel tudjuk, hogy a gravitációs hullámok fénysebességgel utaznak, azt is tudjuk, hogy melyik detektort pontosan mikor kell elérnie, így könnyebb kiszúrni a közös jelet a minden detektorra jellemző egyéni zajban.

A dán csapat először a legelső észlelés adatait elemezte újra, és hasonlóságokat véltek felfedezni az észlelésben részt vevő két detektor zajában, ami azért lenne probléma, mert ezek szerint a LIGO kutatói nem választották volna szét megfelelően a zajt és a hasznos jeleket, hiszen a zajnak a különböző elhelyezkedés miatt teljesen különbözőnek kellene lennie a két laborban. Egy másik kritikájuk, hogy szerintük a LIGO-sok eredményeit nem tudják független szakértők kellő alapossággal ellenőrizni, mert túl zárt a működésük, nem közölnek elég adatot, így jobb híján bizalmi alapon kell elfogadni az eredményeiket.

A LIGO többször is reagált a felvetésekre. “Andrew Jackson és csoportja az utóbbi néhány évben azt mondja, hogy a LIGO észlelései nem valódiak. Az elemzésüket sok ember megnézte, akik mind arra jutottak, hogy az állításaik teljesen érvénytelenek” – mondta például David Reitze, a LIGO ügyvezető igazgatója október végén az Ars Technicának.

A LIGO-sok szerint szó sincs arról, hogy vakon kellene megbízni bennük, az első észlelésről például már minden adatot nyilvánossá tettek, az elemzéshez használt programokkal együtt, tehát ezeket bárki ellenőrizheti és teljes egészében reprodukálhatja az eredményeket – az más kérdés, hogy ez nem éppen triviális feladat.

Frei Zsolt szerint a LIGO-nál úgy gondolják, már eddig is kellő alaposságú betekintést adtak abba, hogyan dolgozzák fel az adatokat, és bár elsősorban inkább magukra a felfedezésekre és a műszerek fejlesztésére összpontosítanak, a kritikák hatására már készül és megjelenés előtt áll egy újabb cikk, amely még részletesebben mutatja be a munkafolyamatot.

Köszönjük, hogy olvasol minket!

Ha fontos számodra a független sajtó fennmaradása, támogasd az Indexet!