Csak az ősrobbanás-elmélet mérhető ehhez a felfedezéshez

Hamarosan heti rendszerességgel fogunk gravitációs hullámokat érzékelni, és ez új lehetőségeket nyit.

Einstein száz évvel ezelőtt közzétett általános relativitáselméletének (lásd Vak bogár görbe ágon. Magyar Nemzet Magazin, 2015. november 28.) megoldásai között szerepel a gravitációs hullámok létének lehetősége. Ha a téridőt kétdimenziós hálóként képzeljük el, amelyben két golyó kering egymás körül, akkor ezek hullámokat fognak kelteni a hálóban. A valóságban a két golyó lehet például két fekete lyuk, amelyek összeolvadásakor rezgések – gravitációs hullámok – keletkeznek a téridőben. De ugyanígy kelthet gravitációs hullámokat egy felrobbanó szupernóva vagy egy nem tökéletesen gömbszimmetrikus tárgy forgása (például a Föld sem tökéletes gömb, hiszen vannak rajta kiemelkedések, mélyedések). A Föld felszíni egyenetlenségei 300 watt teljesítményű (kozmikus mértékben rettentően gyenge) gravitációs hullámokat keltenek.

– Nagyon kis nagyságrendű jelenségről van szó. Egy méter hosszú fémrúd a gravitációs hullámok hatására 10^–21 méternyit fog rezegni. Ez a proton átmérőjének egymilliomod része. Tehát nem kell arra gondolni, hogy a gravitációs hullámok földrengéseket okoznak – világít rá a detektálás nehézségére Frei Zsolt, az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) atomfizikai tanszékének, illetve az Eötvös gravitációkutató csoportnak és a magyar LIGO-kutatócsoportnak a vezetője. – Ezt a kis hatást bevett fizikai módszerekkel szinte lehetetlen kimérni. Míg az általános relativitáselmélet egyéb következményeit rengeteg kísérlet bizonyította már, a gravitációs hullámokat mindeddig technikailag volt képtelenség igazolni.

Ez nem jelenti azt, hogy eddig egyáltalán nem volt a gravitációs hullámok létére utaló tudományos ismeret birtokában az emberiség. 1993-ban Russell Hulse és Joseph Taylor, a Princetoni Egyetem csillagászai kapták a fizikai Nobel-díjat egy kettős pulzár (két gyorsan pörgő égitest) felfedezéséért. E két égitestről kiderült, hogy egyre gyorsabban keringenek egymás körül, egyre közelebb kerülnek egymáshoz, ami azt jelenti, hogy eközben energiát veszítenek. Évek mérései bebizonyították, hogy ez az energiavesztés pontosan olyan mérvű, ami az általános relativitáselmélet egyenleteiből következik. Magyarul szinte biztos, hogy az energiavesztés oka a gravitációs hullámok kibocsátása. Ez már akkor is közvetett bizonyítéka volt a gravitációs hullámok létének.

Ugyanakkor a füstölgő fegyver mindmáig hiányzott, közvetlen bizonyítékra volt szükség.

– A hetvenes években született az ötlet, hogy tömegrezonátorokkal detektálják a gravitációs hullámokat. Ezek felfüggesztett, néhány köbméter térfogatú alumíniumtömbök, amelyek kissé megrezegnek, ha eléri őket egy hullám. Nagyjából az egy kilohertzes frekvenciatartományban várjuk a hullámokat, és ennek megfelelően úgy lehet méretezni az alumíniumtömböt, hogy ekkora legyen a saját frekvenciája. A tömb rezgését pedig elméletben érzékelni lehet egy pick-uppal – folytatja a gravitációshullám-detektálás viszontagságos történetét Frei Zsolt. – Jó ötlet volt, de nem sikerült. Az érzékelő érzékenységét nem sikerült a megfelelő szintre növelni. Ezt követte az újabb ötlet a kilencvenes évek elején, hogy inkább lézer-interferométerekkel kellene keresni a hullámokat. Amint nevük is mutatja, ezek két merőleges lézerfény interferenciájának mérésével mutatják ki a gravitációs hullámokat.

Az interferométer karjaiban két tükör között rengetegszer pattog ide-oda a lézerfény (ily módon az effektív karhossz sokszorosa a két tükör távolságának), majd egy féligáteresztő tükrön keresztül találkozik a másik karból érkező nyalábbal. Ha nincs olyan hatás (például gravitációs hullám), ami a tükröket megrezegtetve megnyújtaná vagy összébb nyomná az egyik kart, akkor a két lézerfény ellentétes fázisban van, és a találkozási pontjukon elhelyezett fotodetektor a teljes kioltás miatt nem mér jelet. Ha viszont valami eléri az interferométert, a két lézernyaláb fázisa eltolódik egymáshoz képest, a teljes kioltás megszűnik, a detektor pedig jelet érzékel. Magyarul a mért menynyiség végső soron a karok közötti hosszkülönbség.

A Massachusettsi és a Kaliforniai Műszaki Egyetem (MIT és Caltech) az Egyesült Államok Washington és Louisiana államaiban – egymástól háromezer kilométeres távolságban – egymilliárd dolláros összköltséggel felépített két hatalmas műszert, ezeket hívják LIGO-nak (lézer-interferométeres gravitációshullám-obszervatórium). Ezek merőleges karjainak a hossza négy kilométer, bennük egy méter átmérőjű cső fut, amelyben a valaha mesterségesen előállított legerősebb vákuum uralkodik. Ebben pattog egy rendkívül erős lézernyaláb a karok két végén elhelyezett tükrök között 400-szor. Az oda-vissza tükrözésre azért van szükség, hogy megsokszorozzuk az interferométer karjainak a hosszát, és így a lézer 1600 kilométeres útját az esetlegesen beérkező gravitációs hullámok már érzékelhető mértékben változtathassák meg.

– Mi 2007-ben csatlakoztunk a LIGO-hoz, mert akkor már évek óta bizonyították, hogy képesek a detektorok érzékenységét az előre meghatározott ütemben növelni (és ezzel párhuzamosan csökkenteni a zajokat), és így csak idő kérdése volt, hogy felfedezzék a gravitációs hullámokat. Ha a berendezés mai állapotában eléri az érzékenysége elvi maximumát, akkor egy-két hetente érzékelhetünk egy gravitációs hullámot – érzékelteti a fejlődés ütemét az asztrofizikus. – Természetesen most olyan csillagászati jelenségekről beszélünk, amelyek bekövetkeztében bizonytalanság van. Sőt a mostani felfedezésünkig arra sem volt bizonyíték, hogy egyáltalán összeolvadhat két fekete lyuk.

A LIGO érzékenységének folyamatos növelése korábban hozta meg a gyümölcsét, mint várták. A szeptember 14-i észlelés tényét szinte azonnal jelezték a valós időben működő jelelemző algoritmusok, majd később a többi utólagos elemzés is megerősítette, hogy itt két összeolvadó fekete lyuk által keltett gravitációs hullámokról van szó. Az elmúlt hónapokban szerte a világon több száz fizikus elemezte újra és újra az adatokat, és végül a felfedezés tényét egybehangzó szavazással döntötték el. Nem az a tipikus hollywoodi heuréka-pillanat, de legalább igazi.

Az észlelés után sem lehetett teljes a magabiztosság és az öröm. Millió dolog lehet ugyanis, ami zajt kelt a műszerben, és zavarja a mérést. Két évvel ezelőtt egy rivális kutatócsoport már sietősen bejelentette a gravitációs hullámok felfedezését, aztán alaposan felsültek, amikor kiderült, hogy tévedésről van szó. Az interferométerek olyan érzékenyek, hogy a messze lévő tenger hullámzása is befolyásolja a működésüket. Éppen ezért van belőlük két egyforma az USA két ellentétes sarkában, hogy az egyik igazolhassa a másik méréseit.

Meglepően sok ismeret származott az észlelt gravitációs hullámokból, noha mindössze 0,2 másodpercig tartott az egész. Ennyi idő alatt olvadt össze a két fekete lyuk. Az egyik fekete lyuk tömege 29-szerese, a másiké 36-szorosa volt a Nap tömegének. Az észlelés kezdetén még hatszáz kilométer távolságra voltak egymástól, és három századmásodperc alatt fordultak egyet egymás körül. A 0,2 másodperces hullám ideje alatt nyolcat keringtek egymás körül, és akkor olvadtak össze, amikor központjuk 210 kilométeres távolságban volt egymástól.

Van egy harmadik interferométer is Pisa mellett, amelyet főleg az olasz és a francia fizikusok üzemeltetnek, ez a Virgo. Ebből azonban csak egy van, és az érzékenysége is elmarad a LIGO-étól. Adatcsere-megállapodást kötöttek a LIGO-val, az ottani tudósok ugyanúgy részt vesznek az adatok elemzésében. Azért előnyös ez az együttműködés, mert ha három obszervatórium érzékelne egyszerre egy gravitációs hullámot, akkor háromszögeléssel meg lehetne határozni forrását az égbolton. Sajnos a Virgo jelenleg nem működik, így a szeptemberi hullámot sem látta.

De mit tehetnek a magyar asztrofizikusok ebben a milliárddolláros költségvetésű kutatási programban?

– A LIGO-programban Magyarországról az Eötvös gravitációkutató csoport vesz részt, hat kutató az ELTE-ről, három a Magyar Tudományos Akadémia debreceni atommagkutató intézetéből és hárman Szegedről is – mondja Raffai Péter, az ELTE atomfizikai tanszékének adjunktusa, aki doktori disszertációját is a LIGO-kutatásokból írta. – Mára a munkánk a LIGO teljes tevékenységi körét lefedi. Mi fejlesztjük például azokat az infrahangmikrofonokat, amelyek mindkét interferométerbe be vannak építve (és az előzetes tervek alapján részei lesznek a várhatóan Indiában épülő harmadik LIGO-nak is), és a környezeti zaj kiszűrésére szolgálnak.

Ezenkívül Raffai Péter részt vett a detektorok kritikus jelentőséggel bíró időmérő berendezéseinek fejlesztésében is. De a műszerek rutinszerű működtetéséből is kiveszik a részüket. Vállaltak műszakokat, amikor szemmel kellett tartaniuk az érzékelőket, és egy esetleges észlelés esetén dönteniük kellett volna arról, hogy az lehetséges gravitációs hullám vagy csak zavar, és nem szorul azonnali elemzésre.

– Ha az észlelés pillanatában három detektor működött volna, és így pontosabban tudnánk, hogy honnan jött a hullám, akkor a kutatók az általunk szerkesztett galaxiskatalógus alapján határozhatták volna meg a forrás helyét – folytatja Raffai Péter. – Talán a legfontosabb hozzájárulásunk a program sikeréhez a jelkereső algoritmusok fejlesztése és a forrásmodellezés. Számos égitest és sokféle esemény kelthet gravitációs hullámokat, és ezek mind más és más jellemzőkkel bírnak. Lehetnek a hullámok forrásai rejtélyes gamma-felvillanások vagy neutroncsillagok rengései.

A csillagrengés akkor jön létre, amikor a hatalmas mágneses terű neutroncsillagok gyors forgásuk közben energiát vesztenek, részben valószínűleg gravitációs hullámok kibocsátásával. Az energiavesztés hatására lassul a forgásuk, ezáltal csökken bennük a centrifugális erő, így tömörebbé próbálnak összehúzódni. De az anyagaik merevségük folytán nem tudnak olyan egyszerűen összehúzódni, belső feszültségek támadnak bennük. E feszültségek pedig a földrengéseket idéző csillagrengések formájában törnek felszínre. A rengések elektromágneses felvillanásokat, majd hoszszú ideig tartó gravitációs hullámokat keltenek.

A LIGO története a gravitációs hullámok első detektálásával egyáltalán nem ért véget. Éppen csak elkezdődött.

– Nagyon sok fizikus dolgozott két évtizeden keresztül azon, hogy megtaláljuk a gravitációs hullámokat, így ez nagy katarzis. De a programnak ez csak egy része. Hamarosan már heti rendszerességgel fogunk gravitációs hullámokat érzékelni, és ez teljesen új lehetőségeket nyit az asztrofizikában – értékel Frei Zsolt. – Eddig a csillagászok csak elektromágneses sugárzást voltak képesek mérni. De számos objektum van az univerzumban, például a fekete lyukak, amelyek nem bocsátanak ki ilyen sugárzást. Ezek mostantól a gravitációs hullámok segítségével kutathatóvá válnak.