• csillagaszat.hu
    csillagászat.hu
    Csillagászati hírportál

    A gravitációs hullámok detektálása: áttörés a fizikában







    Tíz nappal a felfedezés bejelentése után tekintsük át, miért is olyan nagy dolog a téridő hullámainak közvetlen érzékelése!

    2016. február 11. az emberiség kultúrtörténetében is jegyzett nagy nap lesz: ekkor jelentették be az amerikai vezetésű, de erős nemzetközi kooperációban működő LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) kutatói a GW150914 jelzésű gravitációshullám-forrás felfedezését a tudományos közösség által valaha megépített legérzékenyebb műszerrel. A konkrét jelenség egy mondatba tömörítve: két közepes tömegű fekete lyuk 1,3 milliárd fényévre összeolvadt és ennek eredményeként a Föld felszínén található interferométer-karok hossza pár pillanatig megváltozott a proton átmérőjének egy tízezred részényivel. A mért változás döbbenetesen jól követte a fekete lyukak összeolvadásakor várható jel alakját és pontosan ebből volt megbecsülhető az égitestek tömege és távolsága.

    A tudósok hangos üdvrivalgással fogadták az eseményt, a nagyközönség többségére pedig átragadt a lelkesedés, noha a mérések technikai háttere, illetve az elmélet részletei teljesen egyértelműen felfoghatatlanok a nem szakmabeliek számára. A szalagcímek azért elég jól megragadták a lényeget: “Kísérleti bizonyíték Albert Einstein általános relativitás-elméletére”; “Új ablak az Univerzumra”; “Áttörés a fizikában: Nobel-díjas felfedezés a gravitációról”; és az egyik kedvencem “Innen már csak mérnöki feladat az időutazás”.

    LIGO_hanford_livingston

    A LIGO két állomása.

    Jómagam megfigyelő csillagászként egyetemista korom, azaz már húsz éve követtem a LIGO fejlesztéseit, konferenciákon, intézeti szemináriumokon hallottam előadásokat a csapat tagjaitól. A legalapvetőbb gondolatokat elég egyszerű felfogni: miként a gyorsuló mozgást végző töltések sugároznak elektromágneses hullámokat, úgy a gyorsuló mozgást végző tömegek is sugároznak, csak éppen sokkal-sokkal gyengébb gravitációs hullámokat (GH). Ezek az általános relativitás-elmélet alapján a téridő hullámaiként foghatók fel és innen ered a mérhető jelenség: távolságváltozás egy GH áthaladásakor. Távolságok legfinomabb méréséhez lézereket szoktunk használni, hiszen az interferencia jelensége nagyon-nagyon érzékeny a fényhullámok által megtett távolságra. Azaz a feladat “pofonegyszerű”: meg kell építeni a lehető legérzékenyebb lézerinterferométert.

    Ez most sikerült. Hogy mégis, miért gondolom magam is a Galilei-Darwin-holdraszállás sorozatába illeszkedőnek a sikert? Egyrészt jobban megérthetjük magát a világunkat befogadó téridőt, ami a természet legalapvetőbb összetevője. A gravitációs hullámokat nem lehet leárnyékolni, így mindenen áthaladnak és információt hordoznak az Univerzum legrejtettebb sarkaiból is. Távcsöveinkkel eddig “láttunk”, a GH-detektorainkkal immár “hallunk” is. Ténylegesen új ablak nyílt az Univerzum titkaira és elkezdődhet a GH-asztrofizika, a 21. század csillagászatának várhatóan számtalan izgalmas felfedezést eredményező ága. És az már csak hab a tortán, hogy a 15 ország ezer kutatójában közel tucatnyi magyart is találunk, akik hazai egyetemeken és akadémiai intézetekben járultak hozzá a fantasztikus tudományos-technikai sikerhez.

    Természetesen már az első felfedezésnek is nagyon komoly asztrofizikai következményei vannak. A két független Advanced LIGO (aLIGO) egység által kimért hullámjel rendkívül tiszta detektálást jelent, ahol a jelalak, az amplitúdó, a frekvencia és az összeolvadás során a változása (“chirp”) egyaránt a forrás tulajdonságaitól függ. A mért jelre legjobban illeszkedő modell paraméterei: 36 és 29 naptömegű két fekete lyukból (az egyedi értékek bizonytalansága 4-5 naptömeg) keletkezett egy 62 naptömegnyi egyedi égitest. A tömegkülönbség a kezdő és a végállapot között kisugárzódott gravitációs hullámok alakjában. A Földön érzékelhető jel erősségéből volt becsülhető az 1,3 milliárd fényéves távolság, természetesen jelentős hibahatárral (0,4-0,5 milliárd fényév). A két detektor nem volt képes a pontos égi irány beháromszögelésére, így több száz négyzetfokos területet kellett átvizsgálniuk a más hullámhosszakon beazonosítással kísérletezőknek. Egyelőre még nem lehetséges azonnal riasztani az elektromágneses hullámok tartományában működő obszervatóriumokat egy-egy GH-jel feltűnésekor.

    A legelső és legtermészetesebb következtetés, hogy a közepes tömegű fekete lyukak valóban léteznek. A néhány naptömegnyi és csak gravitációs hatásukkal kimutatható égitestek létezése már több évtizede megfigyelési tény; hasonlóan, a galaxismagokban található szupermasszív (millió-milliárd naptömegnyi) fekete lyukak is egyértelműen kimutathatók voltak az elmúlt másfél-két évtizedben. A kettő közötti tömegtartomány mindeddig csak nagy bizonytalansággal volt lefedve észlelésekkel, jellemzően (extragalaktikus) röntgenkettősök periodicitását próbálták 20-50 naptömegű fekete lyukak akkréciós korongjaival magyarázni. A felfedezés napjáról, 2015. szeptember 14-ről GW150914 jelzéssel ellátott GH-forrás azonnal igazolja a hipotetikus égitestek létezését. Szintén azonnal adódik a következtetés, hogy az ilyen objektumok kettős rendszerben is kialakulhatnak, illetve hogy az Univerzum 13,7 milliárd éves kora elegendően hosszú az összeolvadáshoz (t.i. a folyamatos GH-sugárzással a rendszer összenergiája csökken, a két égitest pedig egyre szorosabb pályára állás végén egymásba olvad). Ezek az egyszerűen hangzó állítások 2016. február 11-ig mind-mind csak elméleti feltételezések voltak – immáron viszont megfigyelésekkel igazolt tények.

    Az, hogy kb. 30 naptömegnyi fekete lyukak kialakulhatnak, a csillagfejlődési elméletek legfrissebb változataival összeegyeztethető. A nagytömegű csillagok fejlődését leíró realisztikus modellekben a tömegvesztés, forgás és a fémtartalom hatásait is figyelembe vevő számítások alapján a GW150914 fémszegény környezetben jött létre, a Nap összetételétől jelentősen kisebb fémtartalom (1/4-1/2 szoláris fémesség) mellett.

    A korábbi LIGO-mérések alapján csak becsülni lehetett a legerősebb jeleket okozó összeolvadások gyakoriságát (hiszen negatív detektálásból csak korlátot lehet meghatározni). Pusztán a GW150914 létezése kapásból kizár egy csomó elméletet, melyek szerint még nem telt el elég idő az ősrobbanás óta, hogy akár egy GH-forrás összeolvadó kompakt kettős is létrejöjjön. Természetesen nagy statisztikát egy pozitív detektálástól ne várjunk, de az elméleti megfontolások alapján évente és giga köbparszekenként 2-400 esemény történhet. Ez alapján a LIGO további érzékenységnövelésével ténylegesen belátható időn belül elképzelhető az akár napi-heti gyakoriságú GH-detektálás. Legalább egy harmadik állomás hadba állításával az égi irány is kijelölhető lesz és akkor már alig pár négyzetfokos területre szűkíthető az átvizsgálandó égterület. Mindez hónapokon-egy/két éven belül várható is, így nagy biztonsággal kijelenthetjük, hogy nem kell már évtizedeket várni a GH-asztrofizika igazi szárnyrakapására.

    A szakma természetesen azonnal ráugrott a felfedezésre. Az arxiv.org szakcikk-szerveren február 21-ig, tehát 10 nap alatt 30 cikk jelent meg, amelynek az absztrakt szövegében szerepel a “GW150914″ karaktersorozat. Hosszú képernyőoldalakat megtölthetnék ezek ismertetésével, de inkább csak a címek közül sorolnám fel az érdekesebbeket:

    Modeling the Afterglow of GW150914-GBM

    High-energy Neutrino follow-up search of Gravitational Wave Event GW150914 with ANTARES and IceCube

    Electromagnetic Counterparts to Black Hole Mergers Detected by LIGO

    A Dark Energy Camera Search for Missing Supergiants in the LMC After the Advanced LIGO Gravitational Wave Event GW150914

    Pan-STARRS and PESSTO search for the optical counterpart to the LIGO gravitational wave source GW150914

    Fermi GBM Observations of LIGO Gravitational Wave event GW150914

    Láthatóan minden hullámhosszon megmozdultak az észlelők, az elméleti emberek pedig azonnal elkezdték tesztelni kedvenc teóriáikat a rendelkezésre álló adatokkal. Érdemes végigböngészni a cikklistát ezen a linken:

    http://arxiv.org/find/astro-ph/1/abs:+GW150914/0/1/0/all/0/1

    Mi pedig nem tehetünk más, mint időről időre beszámolunk a legérdekesebb újdonságokról. A GH-asztrofizika jó hangos kopogással kérte a bebocsátását és immár velünk is fog maradni a jövőben. Pár év és meggyőződésem, hogy rutinszerű vizsgálatokká fog fejlődni a GH-források többhullámhosszú vizsgálata, ebből pedig a kompakt égitestek kialakulását és fejlődését leíró elméletek megalapozása és pontosítása.

    Magyar nyelven ajánlott olvasmányok:

    http://mta.hu/tudomany_hirei/gravitacios-hullamok-egyszerre-harom-vilagraszolo-felfedezes-a-fizikaban-105959

    http://index.hu/tudomany/2016/02/11/igazoltak_einstein_utolso_joslatat_is_felfedeztek_a_gravitacios_hullamokat/

    Ez a bejegyzés Asztrofizika, Extragalaktikus csillagászat, Hírek kategóriában van és a következő címkékkel lett ellátva: , , , . Link könyvjelzője.
    • Magyarország megújul