Itt a legújabb gravitációshullám-hegy!

4380

Megjelent a LIGO-Virgo együttműködés legújabb katalógusa, amely immáron kilencvenre növeli a megfigyelt gravitációs hullámok számát. A nagy tömegű, kompakt objektumok összeolvadásából származó jelek listája a legutóbbi, 2020 októberi közzététel óta 35 új gravitációs hullámmal bővült, köztük több olyan felfedezéssel is, amelyek során egy neutroncsillag és egy fekete lyuk egyesült.

A gravitációs hullám nem más, mint a téridő rezgéseinek tovaterjedése. Hasonlatos egy tóba dobott kavics nyomán a víz felszínén kialakuló fodrozódásokhoz, csak éppen a téridő esetében a távolságok (és ezzel együtt a méretek) nőnek meg, majd csökkennek le. Ahogyan azt Einstein általános relativitáselmélete is megjósolta, gravitációs hullámokat kelt minden tömeggel bíró test a gyorsuló mozgásuk során. Ám a méretváltozások olyan rendkívül kismértékűek, hogy maga Einstein sem hitt benne, hogy valaha is kimutathatóak lesznek. Néhány éve azonban ez már realitássá vált, igaz, egyelőre csak nagy tömegű, kompakt objektumok esetén vagyunk képesek gravitációs hullámokat felfedezni. Vagyis a fenti példában szereplő tóba hajított kavics a modern asztrofizika számára általában két fekete lyuk egymáshoz való közeledése, majd összeolvadása. Az újonnan keletkezett fekete lyuk tömege némiképp elmarad a szülőobjektumok össztömegétől, a különbözet pedig gravitációs hullámok formájában távozik az összeolvadás helyszínéről.

A feketelyuk-összeolvadások a sok millió fényéves távolságban lévő Földön tipikusan 10-23-os relatív méretváltozást okoznak – ez egy kilométeres távolságra vetítve egy proton átmérőjének 1/4000-ed (0,00025) részét jelenti! Azonban az ilyen rendkívül kicsiny méretváltozások kimutatása is lehetséges a fény hullámtermészete révén. A gravitációshullám-detektor lelke egy nagy teljesítményű lézer, amelynek fényét két részre osztják, majd több km megtétele után újra egyesítik őket, és ún. interferenciamintázatot hoznak létre (mint amikor két hullámfront találkozik a tóban, és megnézzük, mi sül ki az összecsapásukból). Ha a berendezésen áthalad egy gravitációs hullám, az megnyújtja a fénynyaláb útját, és a lézerfény hulláma más fázisban fog a találkozóhelyre érni – így pedig változni fog az interferencia képe is. Jelenleg a világon négy ilyen detektor működik: kettő az Egyesült Államokban (LIGO I és II), egy Olaszországban (Virgo), 2019 második felétől kezdve pedig egy Japánban is (KAGRA).

A gravitációs hullámok detektálására használt interferométer vázlatos elrendezése és ugyanez nagyban: a Virgo detektor 3 km-es karhosszai. (Forrás: ScienceNews & Emelt szintű fizika érettségi 2018 / Virgo Collaboration)

A folyamatos fejlesztések révén az utóbbi években gyorsult a gravitációs hullámok felfedezésének üteme, amelynek eredményeként a tavaly októberben publikált lista már félszáz észlelést tartalmazott. Köztük több olyan jelet is sikerült észlelni, amelyek különlegesnek számító összeolvadásokból származtak. Ilyenek voltak a két neutroncsillag összeolvadásából születő gravitációs hullámok (GW170817 és GW190425, a számsorok a detektálás dátumát jelzik), az első nagymértékben aszimmetrikus feketelyuk-páros (GW190412) egyesülése, a neutroncsillagok felső tömeghatárán billegő objektum felfedezése (GW190814), és végül az elsőként detektált közepes tömegű fekete lyukat eredményező összeolvadás (GW190521) gravitációshullám-eseménye.

Az észlelések száma az eddigi mérési időszakok során. Az alsó tengelyen a detektorok mérési idejének és érzékenységük által korlátozott térrész szorzata található (utóbbinál 0,001 Gpc ~ 3,26 millió fényév). (Forrás: Martin Hendry, Hannah Middleton)

A LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés mai napon közzétett legújabb katalógusa, amely a 2020 márciusáig tartó harmadik mérési periódus (O3) összes felfedezését tartalmazza, a korábbi verzióhoz képest 35 új észleléssel növeli az ismert gravitációs hullámok számát. Ezek a jelek döntő többségben továbbra is feketelyuk-feketelyuk összeolvadásokból származnak, tovább gyarapítva ezzel a rejtélyes objektumok statisztikai mintáját. Két újonnan megszülető objektum tömege ráadásul a száz naptömeget is meghaladja, ezzel pedig a kutatók számára kiemelten fontos közepes méretkategóriájú fekete lyukak közé tartoznak. Ezek tanulmányozása segíthet összekapcsolni a csillagrobbanások (az ún. szupernóvák) során megszülető kis tömegű fekete lyukakat a galaxisok centrumában található szupernagy tömegű fekete lyukakkal, utóbbiak kialakulását ugyanis mind a mai napig homály fedi.

A friss katalógus három olyan hullámot is jegyez, amelyek neutroncsillag-feketelyuk összeolvadásokból születtek; közülük kettő felfedezését már idén júniusban bejelentették, mint a neutroncsillagok elnyelésének első példáit. A harmadik, GW191219 jelű gravitációs hullám szülőobjektumai azonban még ez utóbbiakhoz képest is igazi kuriózumnak számítanak, a 33 naptömegű fekete lyuk által bekebelezett neutroncsillag ugyanis mindössze 1,17 naptömegű volt – ez az (elektromágneses hullámok megfigyelését is beleértve) az eddig talált egyik legkisebb tömegű neutroncsillag!

A rendkívül kis méretű, tipikusan csak néhány tíz km-es, és ezáltal elképesztő sűrűségű neutroncsillagok szintén szupernóva-robbanásokban keletkeznek. Hogy egy csillag megsemmisülése során neutroncsillag vagy fekete lyuk marad hátra, az elsősorban a csillag eredeti tömegének függvénye (a tankönyvi példa alapján kb. húsz naptömeg felett számíthatunk fekete lyukra). A robbanásból hátramaradó objektumok kialakulásának feltételei azonban mind a mai napig nem ismertek pontosan, e téren pedig jelenleg csak a gravitációs hullámok megfigyelése révén meghatározott tömegek jelenthetnek támpontot.

A LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés által észlelt gravitációs hullámok forrásai az egyes megfigyelési időszakok során (O1, O2, O3a és O3b). (Forrás: OzGrav, Swinburne University of Technology/Carl Knox)

A maradványobjektumok változatos tömegeit illetően érdekes példa a szintén most közölt GW200210, amelyben szereplő kisebb objektum 2,8 naptömegű – ez vagy egy extrém könnyű fekete lyuk, vagy egy nagyon nehéz neutroncsillag. Jelenlegi ismereteink alapján egy neutroncsillag elvi tömeghatára a Napunk tömegének 2,5-szerese; efelett a maradványcsillag saját gravitációja alatt fekete lyukká omlana össze. Ugyanakkor, a kettős rendszerek röntgentartományon való megfigyelései (a fekete lyukak felfedezésének elsőszámú módszere) során mind ez idáig nem sikerült olyan fekete lyukat azonosítani, amelynek tömege 4 naptömegnél kisebb lett volna. A gravitációs hullámok tanulmányozása tehát rámutatott arra, hogy ez irányú ismereteink felülvizsgálatra szorulnak: vagy a neutroncsillagokkal kapcsolatos elméleteinket, vagy a röntgenkettősöket célzó obszervációkat kell tovább fejleszteni.

Az összes eddig megfigyelt neutroncsillag és fekete lyuk tömegei; a gravitációs hullámok révén felfedezett objektumok esetében kettőből mindig egy harmadik keletkezett (lásd, függőleges nyilakkal összekötött pöttyök). (Forrás: LIGO-Virgo/Northwestern University/Aaron Geller)

Bár a gravitációshullám-észlelések szinte mindennapossá váltak az O3 megfigyelési periódus során (~75 felfedezés egy év alatt), a kis elemszámú minta miatt minden új felfedezés nagy jelentőséggel bír. A jövőbeli megfigyelési időszakok pedig még ennél is több különleges eseményt fognak regisztrálni, egyszersmind a csillagászat és kozmológia területén is új felfedezések fognak születni. Az előrelépés záloga egyfelől a folyamatos fejlesztés, emiatt jelenleg is szünetelnek a LIGO-Virgo detektorok mérései. Az előreláthatóan 2022 második felében induló O4 megfigyelési időszakra az említett berendezések érzékenysége várhatóan jelentősen megnő, így akár már 600 millió fényéves távolságból is képesek leszünk feketelyuk-összeolvadásokat észlelni. Ráadásul a két amerikai LIGO, az Olaszországban található Virgo detektorokhoz ekkora már teljes kapacitással fog társulni a japán KAGRA berendezés, ami 2020-ban még a tesztüzemét végezte. Az újabb detektor révén könnyebben kiszűrhetővé válnak az esetleges zajok, és a korábbinál sokkal pontosabban meghatározhatóvá válik a gravitációs hullámok beérkezési iránya. Így pedig reális esély kínálkozik arra, hogy újra sikerüljön megtalálni egy összeolvadás nyomát a látható fény tartományában is. Az egyedüli ilyen forrás továbbra is a 2017-ben felfedezett neutroncsillag-összeolvadás (GW170817), ami a csillagászat jövőjét jelentő többcsatornás csillagászat első példája volt.

Ez az izgalmas jövőkép pedig még csak a jéghegy csúcsa: az öt éven belül indulhat a LIGO-India, másfél évtized múlva pedig megvalósulhat az űrbe tervezett LISA detektor.

A gravitációshullám-detektorok működési ideje és érzékenysége az eddigi és tervezett megfigyelési időszakok során. A számadatok az effektív távolsághatárokat mutatják, 1 Mpc (megaparszek) kb. 3,26 millió fényévnek felel meg. (Forrás: LIGO Scientific Collaboration)

A LIGO-Virgo-KAGRA nemzetközi együttműködésben több száz intézet közel kétezer kutatója dolgozik, köztük magyarok is. A hazai kutatócsoportok közül az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja a Virgo interferométernél működik közre; míg a Szegedi Tudományegyetem, a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetem munkatársai a LIGO kollaborációban vállalnak szerepet. Utóbbi csoport honlapján további közérthető anyagok találhatnak a gravitációs hullámok iránt érdeklődők.

Hozzászólás

hozzászólás