Felfedezik a gravitációs hullámokat?

Nem először bolydul fel az asztrofizikai közvélemény a gravitációs hullámokkal kapcsolatban. Egy napja Lawrence Krauss írta a Twitterre, hogy igaznak bizonyult korábbi feltételezése a gravitációs hullámokról, független források is megerősítették azok esetleges felfedezését.

My earlier rumor about LIGO has been confirmed by independent sources. Stay tuned! Gravitational waves may have been discovered!! Exciting.

— Lawrence M. Krauss (@LKrauss1) January 11, 2016

Az izgalom érthető, kétéves átépítési időszak után tavaly szeptemberben kezdte újra méréseit az Egyesült Államokban a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) gravitációshullám-detektor. A mérésekkel a régóta keresett gravitációs hullámokat tudnák felfedezni.

A Guardian szerint Lawrence Krauss posztja arra utal, hogy a kutatásban részt vevő tudósok már fogalmazzák a tanulmányt, amely a gravitációs hullámok létét bizonyítja. Egy ilyen tanulmány előkészítése hosszú idő, a cikket elküldik a tudományos szakújságnak bírálatra, ha elfogadják, közzéteszik. A fizikusok nagy része – egy-két beavatottól eltekintve – ekkor találkozik az eredményekkel.

De a bírálat alatt is előfordulhatnak hibák, két éve például már volt egy nagy bejelentés a témáról. Akkor azt állították a Harvard-Smithsonian Asztrofizikai Központ kutatói, hogy a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban (az egész univerzumot kitöltő elektromágneses sugárzás) felfedeztek egy mintázatot, amelyet úgy magyaráztak, hogy azt az inflációból származó gravitációs hullámok hozhatják csak létre. Azóta cáfolták ezeket a mérési eredményeket.

Mielőtt továbbmennénk, nézzük meg, mit jelentenek a gravitációs hullámok, és miért lenne olyan nagy dolog a felfedezésük. Mindezt Frei Zsolt tanszékvezető egyetemi tanár, az Eötvös Loránd Tudományegyetemen működő MTA Lendület Asztrofizikai Kutatócsoport vezetőjének segítségével tesszük meg, aki 2007 óta részt vesz a LIGO-kutatásokban.

Albert Einstein általános relativitáselmélete megalapozta a gravitációs hullámok létének elméletét. Az elmélet szerint a nagy tömegek gyorsuló mozgásuk során hullámokat keltenek a téridő hálójában. Ezt a görbülő teret sokszor egy gumihálóval szokták szemléltetni. Ha egy kifeszített hálóra egy nehéz tárgyat helyezünk, az görbületet okoz a térben. Tegyük fel, hogy megrázzuk ezt a hálót, ekkor a keltett hullámok tovaterjednek a felületen. Ezek a hullámok a gravitációs hullámok.

Erre a legjobb példa két fekete lyuk összeolvadása – ebből a jelenségből most semmit nem látunk, hiszen a rendszerből nem jut ki a fény. A gyorsuló mozgás és a hatalmas tömegek miatt az összeolvadás gravitációs hullámjele igen erős, így a jelenség megfigyelhetővé válna.

Ha ugyanis sikerülne kidolgozni a módszert a gravitációs hullámok közvetlen észlelésére, akkor egy új mérési eljárás lesz a kutatók kezében, sőt, ha finomítják majd az eljárást, rendszeresen is meg lehet figyelni majd a jelenséget. A fő ok, amiért a mai napig nem sikerült ezeket a hullámokat kimutatni, az az, hogy a tér fodrozódása annyira kicsi (10^-21 nagyságrend), hogy például egy 1 méteres méterrúd csak 10^-21 métert változtat a hosszán, ennél pedig még az atommag mérete (10^-14–10^-15 m) is nagyságrendekkel nagyobb.

Direkt módon a mai napig nem tudják kimutatni a gravitációs hullámokat, de indirekt módon több bizonyíték is van létezésükre. Az Egyesült Államokban található gravitációshullám-detektorral, a LIGO-val próbálják direkt módon is bizonyítani létezésüket. Az amerikai kormány az elmúlt években egymilliárd dollárt költött a detektor megépítésére, a LIGO Tudományos Együttműködésben nagyjából ötven kutatócsoport, köztük a magyar csoport vesz részt.

Az amerikai LIGO leegyszerűsítve egy méterrúd változásait próbálja lemérni. Persze nem egy egyméteres alumíniumdarabról van szó, hanem két egymásra merőleges, négy kilométer hosszú karról. A két kar végein tükrök vannak elhelyezve, melyek közt lézerfény szaladgál. Végül a rendszerből kivezetett fénycsóvák összetalálkoznak (interferálnak), és a fény hullámtulajdonsága miatt ezek a hullámok erősítik vagy gyengítik egymást. A kapott intenzitásból tudunk következtetni a karok rövidülésére, illetve hosszabbodására, amiből végső soron arra kapunk választ, hogy áthaladt-e gravitációs hullám a detektoron.

A felfedezéshez elengedhetetlen, hogy lecsökkentsék a műszereket zavaró zajokat. Ugyanis minden környezeti tényező (akár az, hogy elsétál valaki a detektor közelében) sokkal nagyobb rezgést tud okozni, mint a gravitációs hullámok. Frei Zsolt és kutatócsoportja ilyen zajszűrő műszert is épített, amely képes érzékelni a levegőben terjedő alacsony frekvenciás hangokat.

Ma véget ér az első adatgyűjtési időszak a detektornál, amelyet négy hónapja, szeptember 18-án kezdtek. A átépítés alatt jelentősen megnövekedett a LIGO-detektorok érzékenysége, ezért érthető, hogy nagy figyelem kíséri ezt az első adatgyűjtési szakaszt. A most gyűjtött adatok kiértékelése jelenleg is tart, több száz kutató dolgozik azon, hogy a LIGO Tudományos Együttműködés minél előbb hiteles eredményeket közölhessen. A magyar kutatócsoport is részt vesz az adatok feldolgozásában.

Ugyanakkor idő kell ahhoz, hogy megfelelően kiértékeljék az adatokat, és véletlenül se közöljenek helytelen információt. „Ilyen jelentőséggel bíró helyzetben az emberek nem találgatásokat várnak tőlünk, hanem hitelességet. Lawrence Krauss nem tagja a LIGO Tudományos Együttműködésnek, ő találgat, mi pedig dolgozunk az adatokon” – fogalmazott Frei Zsolt.