Újabb fekete lyukak összeolvadását érzékelte a magyar részvétellel folyó kutatás

35 új gravitációs hullámot észlelt 2020 októbere óta a LIGO–Virgo detektorhálózat, derül ki a kutatásban részt vevő ELTE lapunknak eljuttatott közleményéből. A LIGO–Virgo–KAGRA Kollaboráció fekete lyukak és neutroncsillagok összeolvadásainak katalógusa így már 90 gravitációshullám-jelet tartalmaz.

A gravitációs hullámokat először Albert Einstein jósolta meg 1916-ban, az általános relativitáselmélet alapján. Mivel a Földet elérő gravitációs hullámok nagyon kis hatást keltenek, sok évtizedes munkára volt szükség ahhoz, hogy a kimutatásukhoz elég pontos műszerek épülhessenek.

Nem ritkák a köztes tömegű fekete lyukak

Az észleléseket három detektor segítségével sikerült elérni: az Egyesült Államokban (Louisiana és Washington államban) található két Advanced LIGO detektorral, valamint az olaszországi Advanced Virgo detektorral. E három detektor adatait a nemzetközi LIGO Scientific Collaboration, a Virgo Collaboration és a KAGRA Collaboration kutatói elemezték ki.

A 35 észlelt jelből 32 nagy valószínűséggel fekete lyukak összeolvadásából származott. Ennek során két fekete lyuk spirálvonalon kering egymás körül, amelynek a végén egyesülnek, miközben gravitációs hullámokat bocsátanak ki.

Az összeolvadt fekete lyukak változatos méretűek, a legnagyobbak a Napunk tömegének 90-szeresének megfelelő tömeggel bírnak. Az összeolvadásokból keletkezett fekete lyukak közül több is meghaladja a Napunk tömegének százszorosát, így az ún. köztes tömegű fekete lyukak közé sorolhatók. Az asztrofizikusok az elméletek szintjén már régóta foglalkoznak a fekete lyukak ezen típusával, azonban kísérleti bizonyíték csak a gravitációs hullámoknak köszönhetően van a létezésükre. A legújabb LIGO–Virgo–KAGRA-észlelések megerősítik, hogy a fekete lyukak ezen új osztálya sokkal gyakoribb az univerzumban, mint korábban gondoltuk.

Határesetek

A 35 észlelt esemény közül kettő valószínűleg egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összeolvadása volt. Ezek igen ritka események, amelyeket csak a LIGO és a Virgo legutóbbi adatgyűjtő időszakában sikerült megfigyelni. A két esemény közül az egyikben egy hatalmas, 33 naptömegű fekete lyuk egyesült egy nagyon kis, mindössze 1,17 naptömegű neutroncsillaggal. 

gravitációs hullámok vagy elektromágneses hullámok segítségével.

A katalógusban szereplő gravitációs hullámok egyike két olyan objektum összeolvadásából származott, amelyek közül az egyik szinte biztosan fekete lyuk volt (a tömege 24 naptömeg), a másik viszont vagy egy extrém könnyű fekete lyuk, vagy egy nagyon nehéz, 2,8 naptömegű neutroncsillag. 

Hasonló kérdéses eseményt fedezett fel a LIGO és a Virgo 2019 augusztusában is. 

mivel a szakemberek szerint a legnagyobb tömeg, amit egy neutroncsillag elérhet még azelőtt, hogy fekete lyukká omlana össze, körülbelül a Napunk tömegének 2,5-szerese. Emellett ugyanakkor elektromágneses megfigyelésekkel eddig még nem fedeztek fel olyan fekete lyukat sem, amelynek tömege 5 naptömegnél kisebb lett volna. Ez korábban olyan elméletek kiindulópontja volt, amelyek szerint a csillagok ebben a tömegtartományban nem omlanak össze fekete lyukakká. Az új gravitációshullám-megfigyelések azt jelzik, hogy ezeket az elméleteket vélhetően felül kell vizsgálni.

Préselt fény

A gravitációshullám-detektorok nagy teljesítményű lézerek segítségével mérik azokat az időket, amelyek alatt a fény két egymásra merőleges kar mentén verődik oda-vissza a tükrök között. A harmadik megfigyelési időszakban a gravitációshullám-detektorok az eddigi legérzékenyebb beállításokkal működtek, a folyamatos fejlesztéseknek köszönhetően.

A préselt fény alkalmazása a fény kvantummechanikai tulajdonságainak kihasználását jelenti, a mérési bizonytalanságok minimalizálása érdekében. A Heisenberg-féle határozatlansági reláció korlátozza, hogy milyen pontosan lehet egyszerre mérni valaminek a helyét és lendületét. A préselt fény a fény egy speciális kvantummechanikai állapota, amely minimalizálja a gravitációs hullámok méréséhez szükséges fizikai mennyiségek bizonytalanságát.

A detektorok így megnövelt érzékenysége lehetővé tette több izgalmas gravitációshullám-esemény megfigyelését, köztük az első biztosnak mondható neutroncsillag-fekete lyuk összeolvadásét.

Értékelés és riadólánc

Ahogy a gravitációs hullámok észlelésének száma növekszik, az adatkiértékelő technikákat is fejlesztik, hogy ezzel biztosítsuk az eredmények nagy pontosságát és megbízhatóságát. A jelek azonosítása a detektor adataiban gondos elemzést igényel, hogy a valódi gravitációs hullámokat meg lehessen különböztetni a háttérzajtól. A megfigyelési időszak során a detektorok nemzetközi hálózatából gyűjtött információk alapján pontosan meg tudjuk határozni, mely jelek származtak valódi gravitációs hullámokból.

A mostani megfigyelési időszak másik jelentős vívmánya, hogy a kutatók már az észleléseket követő percekben nyilvános riasztást küldtek a világ más obszervatóriumai és detektorai számára. Így a neutrínódetektorok és a fényt észlelő távcsövek hálózata arra a területre tudott fókuszálni, ahonnan a gravitációs hullámok érkeztek. A gravitációshullám-jelek elektromágneses és neutrínómegfelelői ritkák, emellett megtalálni is rendkívül nagy kihívás őket. A gyors riasztás ebben a keresésben óriási előnyt jelent. Az újonnan bejelentett gravitációs hullámok egyikéhez sem találtak elektromágneses vagy neutrínómegfelelőt, az egyedüli ilyen forrás továbbra is a 2017-es neutroncsillag-összeolvadás.

A LIGO és a Virgo obszervatóriumok jelenleg fejlesztéseken mennek át a közelgő negyedik megfigyelési időszak előtt, amely várhatóan 2022 második felében kezdődhet el. Ehhez az időszakhoz már a mélyen egy hegy alatt megépített, japán KAGRA obszervatórium is csatlakozni fog. Több detektorral az események égi pozíciójának meghatározása is pontosabb lesz.