Igazolták Einstein utolsó jóslatát is: felfedezték a gravitációs hullámokat

Február 11-én, magyar idő szerint délután fél ötkor a LIGO Tudományos Együttműködés (LIGO Scientific Collaboration, LSC) Washingtonban bejelentette, hogy még 2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint délelőtt 10:50:45-kor mindkét LIGO-detektor egy két tizedmásodperces jelet rögzített, és ezzel közvetlen bizonyítékot kaptak a gravitációs hullámok létezésére. „Megcsináltuk!” – kezdte David Reitze, a LIGO vezetője a sajtótájékoztatót. A fizikusok nagyjából száz éve vártak erre a bejelentésre.

A felfedezést részletező szakcikket a Physical Review Letters című szaklap megjelenésre elfogadta – ez valószínűleg az évtized legidézettebb cikke lesz a fizikában. A felfedezésért biztosan Nobel-díj jár majd: már a hullámok közvetett észleléséért is, a Hulse–Taylor kettős pulzár periódusidejének megfigyeléséért is Nobel járt 1993-ban, most pedig közvetlen bizonyítékot találtak. Az viszont érdekes kérdés, ki kapja majd a díjat; ez a kísérlet nem laborban dolgozó néhány tudós munkája volt, sokkal inkább hasonlít a CERN-hez:  a LIGO együttműködésben több mint ezer ember vett részt 83 intézményből és 15 országból. A szakcikk 15 oldalából hatban csak a részt vevő embereket és intézményeket sorolják.

De mi az a LIGO? Mi a gravitációs hullám? És miért olyan fontos a mostani felfedezés, hogy még az MTA honlapja is világraszólónak nevezi? Elmagyarázzuk, de előre szólunk: hosszú lesz (ha megpróbálja röviden, két videóból megérteni, ezt a cikkünket ajánljuk).

Mese a nem egyszerre öregedő ikrekről

A kutatóknak olyasmit sikerült igazolniuk, amit már régóta sejtettünk: Albert Einstein 1915-ben publikálta az általános relativitáselméletet, majd 1916-ban és 18-ban kifejezetten a gravitációs hullámokról szóló dolgozatát (1916-ban elszámolta magát, az 1918-as dolgozat ennek javítása). Einstein számolásából egyértelműen kijött, hogy a gravitációs hullámok léteznek – ez volt a fizikus utolsó olyan jóslata, amit eddig nem sikerült bizonyítani. Einstein dolgozataiból pedig azt derül ki, hogy

Érthető, nem? Nem, hát. A felfedezés megértésében Raffai Péter, az ELTE adjunktusa, az Eötvös Gravity Research Group fizikusa, illetve Frei Zsolt, az ELTE Atomfizikai Tanszék vezetője segített nekünk, akik kollégáikkal részt vettek a gravitációs hullámok felfedezésében.

A kutatás megértéséhez fel kell fogni, hogy egyáltalán mi az a téridő. „A fogalmat még a speciális relativitáselméletben vezette be Einstein a fizikába. Minden mozgás egyben térbeli és időbeli, a hétköznapi tapasztalatunk alapján pedig a kettő függetlennek tűnik: a térbeli mozgást például mérőszalaggal mérjük ki, ilyenkor változnak a szélességi, hosszúsági és magassági koordináták. Az időbeli mozgást pedig az órával” – magyarázza az alapokat Raffai. Einstein viszont rámutatott, hogy tér és idő nem függetlenek, nincs értelme arról beszélni, hogy háromdimenziós térben és egydimenziós időben mozgunk, hanem négydimenziós téridőben, ahol matematikai szempontból egy irány lesz az idő is. 

Nehéz ezt gyakorlati példával érzékeltetni, mert a hétköznapokban nem tapasztaljuk, hogy tér és idő összefüggne. Ha a térben egyenesen haladunk egy irányba, de aztán eltérünk tőle, akkor a haladásunk az eredeti irányba lelassul. Például ha az utcán pontosan előttünk látunk egy lámpaoszlopot, és megyünk egyenesen felé, akkor X idő alatt elérjük az oszlopot. De ha egy kicsit jobbra tartva haladunk, hogy ne menjünk neki az oszlopnak, akkor az oszlop mellett kötünk ki, de X-nél több idő alatt érjük el az oszlopot, hiszen nem egyenesen felé haladtunk, hanem kicsit jobbra is.

Ez még könnyen érthető, az viszont már nehezebben befogadható, hogy az időbeli mozgás is hasonló. Vagyis ha ülünk egy széken mozdulatlanul, és telnek a percek – vagyis az időben mozgunk előre –, az nem ugyanolyan, mint amikor felállunk a székről, és elkezdünk a térben mozogni. Ez utóbbi ugyanis az időben éppen annak felel meg, mint amikor a fenti oszlopos példában egyik irányból váltottunk a másikba. Azaz, ha felállunk a székről és a térben mozgunk, valójában lassabban telik az idő, mintha egy helyben ülnénk.

Mindezekből következik az ikerparadoxonként ismert jelenség is: ha leültetünk két azonos korú, teljesen egyszerre született embert egymás mellé, egyformán telik számukra az idő. De ha az egyik ülve marad, a másik pedig elkezd térben is mozogni, akkor amikor visszaül, az ikerpár tagjai már nem lesznek azonos korúak: aki egy helyben maradt, öregebb lesz, mint aki térben mozgott, mert utóbbi lassabban haladt előre az időben, mint az egy helyben ülő. A mindennapokban ezt a jelenséget nem érzékeljük, mert csak igen-igen nagy sebességnél számottevő, a fénysebesség közelében. De ha az ikerpár egyik tagját elküldenénk az űrbe egy majdnem fénysebességgel száguldó rakétán, majd pár hónap múlva visszahoznánk, csak annyit öregedne, amennyit saját ideje szerint távol volt, pár hónapot – míg Földön maradt testvére akár évtizedeket (a sci-fi regények és filmek gyakran eljátszanak ezzel).

Egy helyben ülünk, mégis nő köztünk a távolság

Az ikerparadoxonhoz hasonló felvetések nagyon foglalkoztatták száz éve a fizikusokat. „A speciális relativitáselmélet jó megoldása volt olyan rejtélyeknek, amiket már korábban ismertek kísérletekből, de nem tudták megmagyarázni. Viszont ez az elmélet még nem tudott mit kezdeni a gyorsuló mozgással, csak olyan mozgásokról szólt, amikor a szereplők egymáshoz képest egyenes vonalú, egyenletes mozgást végeztek – mondja Raffai. – Einstein aztán 1915-ben publikálta általános relativitáselméletét, amely már a gyorsuló mozgást is figyelembe vette.”

Ebben Einstein leírta, hogy a gravitációs mezőben lenni folyamatosan gyorsuló mozgást jelent, amiben a térbeli távolságok és időtartamok is a mező ingadozásaival változnak. Vagyis az ingadozó gravitációs mező megváltoztatja a testek közötti távolságot, és mivel téridőről beszélünk – azaz a térbeli mozgás össze van kötve az időbelivel –, ha a tér megnyúlik és a térbeli távolság nő, akkor nő az időbeli is.

Képzeljük el a teret gumilepedőnek, amit a rádobott tárgyak behajlítanak, például ha a gumilepedőre labdát dobunk, a lepedő jellegzetesen megnyúlik alatta: hasonló történik a téridővel, ha tömeggel bíró testeket helyezünk el benne. És hogy még nehezebben felfogható legyen a dolog: amikor nagyon nagy tömegű testek mozognak egymás körül, akkor a „gumilepedő” torzulásai továbbterjednek. És ezzel jutottunk el a fentebb írt definícióhoz, amit most meg is ismétlünk: a gravitációs hullámok a téridő terjedő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai.

Most egy ilyen hullámot fedeztek fel, és ami az igazán nagy szám: közvetlenül. Az alábbi videó már ezt a konkrét felfedezést mutatja: két egymás körül keringő fekete lyuk hajlítja a téridőt, majd amikor egyesülnek, hatalmas energiát bocsátanak ki, és a téridő fodrozódása továbbterjed. A videó alján a kutatók által érzékelt jelet látjuk.

Tíz a mínusz nagyonsokadikon különbség 

Mindez szépen hangzik, de mégis hogy lehet ezt bizonyítani, hogy változik körülöttünk a téridő? Nem könnyen; kellett hozzá több száz tudós, egymilliárd dollár, húsz év, egy hatalmas lézer és egy interferométer nevű eszköz. A hullámok észleléséhez szükséges kísérletekhez az Egyesült Államokban felépült a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), aminek egyik gravitációshullám-detektora a louisianai Livingstonba került, a másik pedig a washingtoni Hanfordba. Ezeknek sikerült 2015 szeptemberében egyszerre észlelniük a hullámokat.

„Politikai és természettudományos okokból került a két műszer pont ide: a mocsárban és a sivatagban zavarja a legkevesebb dolog a műszereket. Egymástól 3000 ezer kilométerre vannak, így ha ugyanazt a jelet érzékelik, akkor van esély arra, hogy az kozmikus eredetű” – magyarázza Frei.

A LIGO két interferométere egy-egy négy kilométer hosszú, L alakban elhelyezett vákuumcső, amelyben egymásnak irányítanak két, majdnem tíz centiméter átmérőjű lézersugarat. A méréshez a lézer a legjobb vonalzó: mivel a gravitációs hullámoknál nyúlik a téridő, maga a vonalzó is nyúlna, nem tudnánk lemérni a különbséget. A fény viszont mindig állandó sebességgel (fénysebességgel) halad, ezért ha megnyúlik a tér, hosszabb idő kell neki, hogy ugyanoda elérjen. A vákuumcső két végén egy-egy tükör van, de a lézerek úgy vannak beállítva, hogy azokról visszaverődve a sugarak pont kioltják egymást, és nem érnek el egy fényérzékeny szenzorig. Ha bármelyik sugár akár csak egy kicsit is elmozdul, a sugarat felépítő fotonok becsapódnak a szenzorba, és ezt már tudják észlelni.

A kutatók azt várták, hogy jön majd egy gravitációs hullám, ami eléri a detektort, megnyújtja és összehúzza a karjait, ezzel a lézersugarak többé nem oltják ki egymást, és a szenzorba becsapódó fotonokból azt tudjuk majd mondani, hogy láttunk egy gravitációs hullámot.

A most észlelt gravitációs hullám a tükörben nagyon apró kitérését okozott: 4×10^-18 métert, a proton méretének négyszázad részét. „Az észleléshez olyan pontosan kell megmérni a karok hosszát, mintha a Nap és a Föld távolságát egyatomnyi átmérő pontossággal mérnénk. Ezért ha elmegy a LIGO mellett egy autó, vagy ha egy hullám kicsapódik 300 kilométerre a tengerpartra, azt is érzi a LIGO” – mondja Frei.

Felmerül a kérdés, hogyan lehet kimutatni ennyire pici távolságváltozást? Hiszen ennél a tükrök atomjai is jobban rezegnek, és a fotonok is ennél nagyobb bizonytalansággal verődnek vissza. Ezért ha egy-egy foton visszaverődését figyelnék a kutatók, sosem találtuk volna meg a gravitációs hullámokat. Viszont, mivel a tükröket érő lézernyalábok átmérője majdnem tíz centi, másodpercenként nagyon sok foton éri el őket. Mindegyik kicsit máshogy verődik vissza, de az egyedi atomok véletlenszerű visszaverődése kiátlagolódik: elég nagy számnál pontosan követni lehet az összes foton közös mozgását.

És ha már a protonok szintjén vagyunk: a tükrök is zizegnek, az azt felépítő atomok is mozognak. A mérés viszont meghatározott frekvenciasávban történik, csak oda várják a gravitációs hullámokat. Minden zaj, ami ezen kívül van, kevésbé érdekes. Még a tükrök is lengedeznek, ez viszont az egyébként nagyon pontos mérést nem befolyásolja, mivel a lengés olyan frekvencián történik, ami nem érdekes a gravitációs hullámok szempontjából. Amelyik frekvenciasáv fontos, ott van nagyon alacsonyra állítva a zajszint: 30-1000 hertzes rezgéseket viszont már nem is látni szabad szemmel, még a lézersugarak fényváltozásaiban sem.

Van még egy, sokkal hétköznapibb probléma is: még az érzékeny frekvenciasávban is a tükrök elmozdulását nemcsak gravitációs hullámok okozhatják, de számos helyi zajhatás – mondjuk földrengés vagy akár egy repülő elhaladása – is. Emiatt a kutatók a LIGO-detektorok egész környezetét több száz műszerrel figyelik, és utólag elemzik, hogy volt-e bármilyen külső hatás, ami a jelet okozhatta.

Hónapokig tart a kiértékelés

Az, hogy a rendszer végül riaszt vagy nem, azon múlik, hogy  milyen érzékenyre állították be a a keresőprogramokat: a lézernyaláb kicsit kitér, ez a számítógépben már digitális jelként jelenik meg, különböző mintázatokban – a programok aztán szabályosságot keresnek ezekben. Ha a riasztás túl érzékeny, akkor sok zajnál is bejelez. Ha viszont érzéketlenebb, akkor kevesebbszer riaszt, de előfordulhat, hogy valódi jelet veszítenek a kutatók. Ezért a keresőprogramokat olyan érzékenységre állítják be, hogy a riasztások száma még emberi léptékkel átnézhető és feldolgozható legyen. A feldolgozásnak több fázisa van:

• Az első keresőprogram azonnal feldolgozza a bejövő adatokat, és riaszt, ha kell.
• Utána egy műszakfelügyelő stáb megerősíti, hogy tényleg látnak jelet.
• Ezután külön meg kell vizsgálni, hogy a jelnek milyen tulajdonságai vannak: hasonlít-e egy asztrofizikai jelre, gravitációs hullámra.
• Ezzel párhuzamosan, amikor a riasztás megtörtént, elkezdik lefuttatni a kereséseket a több száz, környezetet figyelő érzékelő adatain: ebből derül ki, ha a jelet valójában földrengés vagy éppen repülő okozta.
• Végül a kutatók lefuttatják az adatokon a számításigényesebb keresőprogramokat, amiket nem lehet valós időben futtatni, és hosszú egyeztetések során kiértékelik a keresések eredményeit.

„Ez hosszú és nehéz folyamat. Amikor az első riasztás van, ráugranak, kollektív munka kezdődik, és mindenki mást néz meg. Például, hogy ez lehet-e fekete lyuk? Mekkora? Milyen gyorsan pörög? Összenézik az asztrofizikai modellekkel, vagy hogy lehet-e ismert forrás vagy zajhatás. Ez sok embert igénylő munka, mindennap van telekonferencia a különböző munkacsoportjainknak, ahol mindenki prezentálja, mit talált. Emiatt sosem az első pillanatban derül ki, hogy felfedeztünk valamit” – magyarázza Raffai azt, hogy miért teltek el hónapok a felfedezés és a publikáció között.

„Ha ilyen erős a jel, mint a mostani, az ember azért már kiszúrja, hogy ez két fekete lyuk jele lehet. De amíg nem állapítjuk meg a pontos tulajdonságait, és nem vetjük össze az eddigi ismereteinkkel, ezt hetekig, hónapokig nem lehet biztosra mondani. Mivel ez első felfedezés, teljesen jogos procedúra, hogy nem lehet szivárogtatni. Komolyan át kell nézni, megvitatni, és annyi adatcsatorna és szempont van, ami alapján ezt meg kell vizsgálni, hogy nem tehetjük meg, hogy másnap már bejelentjük” – mondja a fizikus.

A felfedezés mégis túl korán kiszivárgott, pedig a kutatás vezetői még a kísérletben részt vevő kutatókat is igyekeztek összezavarni, hogy ez ne történhessen meg.

Direkt szívatják a kutatókat

Amikor a fenti munkafázisok megtörténtek, végigfut az eredmény az összes munkacsoporton, bizottságokon, és mindenki jóváhagyta, jön az úgynevezett borítéknyitás. Ez a gyakorlatban egy pendrive bedugását jelenti, majd a számítógép kiírja, hogy mikor, milyen mesterséges jel volt a rendszerbe táplálva. Ugyanis az ezer kutatóból

Ez a próbája a detektornak, a keresőprogramoknak és a kollaborációnak is: hogy a LIGO kollaboráció megtalálja-e a jelet, és mit kezd vele. „Van egy rakás emberi faktor ebben: nem titkolt célja a mesterséges jelnek az is, hogy az utolsó pillanatig senki ne tudja, hogy amit találtunk, az valódi gravitációs hullám vagy nem. Ezzel akadályozzák meg a kiszivárogtatást, senki nem mer bolondot csinálni magából” – mondja Raffai.

Idő előtt felfedezték

Akkor örül mindenki, ha nincs mesterséges jel, vagy nem az volt, amit találtak. Viszont hiába találták ki nagyon jól ezt a rendszert, a gyakorlatban az történt, hogy bár a hivatalos megfigyelési időszak csak 2015. szeptember 18-tól kezdődött, a detektorokat már bekapcsolták napokkal korábban. És szeptember 14-én észleltek is valamit, ami ránézésre egy gravitációs hullám volt.

Az titkos volt, hogy a mesterséges jelekért felelős bizottság hova és milyen jelet táplál be, de az nem, hogy olyan időszakban voltunk-e, amikor a bizottság tehet ilyet

– mondja Raffai. És ezen csúszott el a jól kitalált rendszer.

Mivel az első megfigyelési időszak hivatalosan szeptember 18-tól január 12-ig tartott, nyilvánvaló volt, hogy még nem piszkáltak bele az észlelésbe. Innentől kezdve ez eldőlt: felfedezték a gravitációs hullámokat, ezért is volt nehéz megőrizni a titkot.

Több, a felfedezést sejtető cikk is megjelent az elmúlt hónapokban – az egyik legismertebb január 11-én, amikor a kísérletekben nem részt vevő fizikus, Lawrence Krauss hencegett el vele, hogy felfedezték a hullámokat. Mivel ő már korábban is csinált ilyet, és nem mindig jöttek be a jóslatai, most nem mindenki hitt neki, pedig igaza volt. Mondani sem kell, hogy a LIGO-nál nem örültek ennek a cikknek.

Mit találtak pontosan?

Azt már végigvettük, mi az a gravitációs hullám, arról viszont még nem volt szó, honnan jönnek. A hullámoknak több forrásuk is lehet, ebből elméletben a legjobban ismertet sikerült most megtalálni: két fekete lyuk úgynevezett bespirálozó kettősét, a Földtől 1,3 milliárd fényévnyire. Mindkét fekete lyuk átmérője közel 200 kilométer volt, annyi, mint a Budapest–Nyíregyháza-távolság légvonalban. A fekete lyukak összeütköztek, a belőlük keletkező még nagyobb fekete lyuk pedig még egy darabig rezgett.

Bár olyan forrást találtak, amire számítottak, két meglepetés azért van a történetben: a két fekete lyuknak nagyobb a tömege, mint amit vártak: 36, illetve 29 naptömeg körüli mind a kettő. „Azt gondolta mindenki, hogy inkább kisebb tömegűek lesznek, mert kisebbekből több keletkezik. Ahhoz, hogy ilyen nagy tömegű keletkezzen, nagyon nagy tömegű és tiszta csillagból kellett keletkeznie mindkettőnek. Erre majd még ráugranak a fizikusok” – mondja Raffai.

A másik az, hogy a felfedezést mindenki későbbre várta. „Nagy határok között mozog, hogy a kutatók milyen gyakorinak gondolták fekete lyukak összeolvadását. A pesszimista becslés szerint a felturbózott Advanced LIGO-val még a 2018-as érzékenység mellett is párat érzékelünk évente, az optimista becslés szerint ezret. Ezek között több nagyságrendnyi különbség van. Úgy néz ki, hogy az igazság az optimista becsléshez van közelebb, az alapján, hogy már egy megvolt” – fogalmaz a kutató. A LIGO detektorait idővel pedig ugyanúgy egyre érzékenyebbre építik, hangolják, mint ahogy az LHC-t.

A detektorokkal egyébként még egy jelet sikerült észlelni, ami fekete lyukak összeolvadásának tűnik, ez azonban sokkal gyengébb, mint a 14-i észlelés, ezért itt csak valószínűnek tartják a kutatók, hogy gravitációs hullámról van szó: a jel nem elég erős ahhoz, hogy biztosan elválasztható legyen a detektorok zajhátterétől.

Mire jó ez az egész?

Rendben, most már láttunk feketelyuk-kettőst, amit eddig soha, mert fényt nem bocsátanak ki, mást meg eddig nem tudtunk megfigyelni, de azon kívül mire megyünk vele? A helyzet az, hogy valószínűleg többre, legalábbis hamarabb, mint azzal, hogy az LHC-ben megtaláltuk a Higgs-bozont.

Van egy csomó, csillagászok számára fontos következmény:

• Ez az első közvetlen bizonyíték, hogy a gravitációs hullámok léteznek, sikerült igazolni Einstein utolsó jóslatát.
• Ez az első bizonyíték, hogy Einstein általános relativitáselmélete erős gravitációs mezőben is működik, mint amilyen két fekete lyuk együttes mezeje.

• A két fekete lyuk tömege 36, illetve 29 naptömeg volt az összeolvadás előtt, ez összesen 65 naptömeg. Végül egy 62 naptömegű keletkezett, vagyis van 3 naptömeg hiány: az összeolvadás pillanatában a gravitációs hullámok formájában kibocsátott energia vitte el ezt a tömeget. Mint Frei Zsolt mondja:

Ez 3000 tipikus szupernóva energiájának felel meg. Másképp mondva, vagy 4500-szor annyi energia, mint amit a Nap teljes élete (10 milliárd év) során kibocsát”. 

• A kettős a három naptömegnyi energiát két tizedmásodperc alatt sugározta szét, ez a legnagyobb sugárzási teljesítmény, amit valaha észlelt az emberiség. Ennél nagyobbat soha nem mértek.
• Azt is tudjuk, hogy a fekete lyukak kettősöket alkothatnak, amik az univerzum életkorán belül bespiráloznak és összeolvadnak;
• Nem árt az sem, hogy bizonyítottuk a detektorok működését.

A gravitációs hullámoknál viszont nem csak bizonyították hogy az elmélet igaz, gyakorlati hasznunk is lesz belőle: ezek teljesen új információhordozó közeget jelentenek, a csillagászat teljesen új eszközhöz jut. „Minden, amit az emberiség tud a Naprendszeren kívülről, azt fényhullámok megfigyeléséből származik. Most kezdődik el a csillagászat új ága, ami a fényhullámoktól független új információhordozóra épül” – mondja Raffai.

Fényhullámokat mozgó elektromos töltések bocsátanak ki, gravitációs hullámokat mozgó tömegek: eddig mindig csak azokat a jelenségeket láttuk, ahol elektromos töltések voltak, mostantól azokat is, ahol nincs elektromos töltés, csak a tömegek mozognak, például a fekete lyukak.

Az analógia azért is áll meg, mert mint Reitze elmondta a sajtótájékoztatón, a LIGO által észlelt jelek szabad füllel hallhatók a laboratóriumban.

„Minket a gravitációs hullámok elsősorban eszközként érdekelnek, mert konkrét csillagászati eseményekről tudhatunk meg új információkat. A fényhullámokat egy rakás dolog kitakarja, a gravitációs hullámok mindenen áthatolnak. Közvetlenül a dolgok mögé láthatunk, és meg tudjuk mondani, hogy mi mozog és hogyan. Közvetlenül a forrásokról kapunk információt” – mondja Raffai.

A fizikus szerint amit most talált a LIGO, az egyszerű és jól ismert hullámforma, ami kiváló arra, hogy az elméletet igazolja, de kevés az új információtartalma. Ha például találunk elnyúlt pályán mozgó feketelyuk-kettősöket, azok tulajdonságait pontosabban megmérhetjük, egy ilyen gravitációs hulláma pedig elárulja majd azt is, mi az a környezet, amiben létrejött ez a rendszer. De többet tudhatunk meg például a nagy rejtélyről, a gamma-felvillanásokról is. Új távlatok nyíltak a fizikában.