Nyert a papírforma: fizikai Nobel a gravitációs hullámokért

Magyar kutatók is hozzájárultak a sikerhez. Szinte példátlan, hogy gyakorlatilag azonnal díjaznak egy tudományos eredményt.

Ez egy kicsit magyar Nobel-díj is. Bár az elismerést csak legfeljebb három természetes személy kaphatja meg, így idén felerészben a német Rainer Weiss, illetve negyed-negyedrészben az amerikai Barry C. Barish és Kip S. Thorne (az Interstellar – Csillagok között című sci-fi tudományos tanácsadója) lett a díjazott, az általuk képviselt LIGO-VIRGO konzorciumban sok száz kutató, így az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) fizikusai is közreműködtek. E két betűszó két független gravitációshullám-detektort jelöl, amelyeket azért építettek föl, hogy végre, majdnem száz év után „lencsevégre kapják” a téridő azon apró rezdüléseit, amelyeket már Albert Einstein is prognosztizált, de mindeddig nem voltak meg a technikai feltételei a felfedezésüknek.

Alig két évvel ezelőtt, 2015. szeptember 14-én történt az Egyesült Államokban lévő LIGO detektor első észlelése. Frei Zsolt, az együttműködésben részt vevő magyar kutatócsoport vezetője a felfedezés bejelentésekor, tavaly februárban lapunknak elmondta, hogy a valós időben működő elemző algoritmusok azonnal jelezték, hogy jelet észleltek, ezt még hónapokig nem merték elhinni. Olyan sok körülmény zavarhatja a detektort, és a Földet elérő gravitációs hullámok olyan gyengék, hogy a sokadik ellenőrzés után sem mertek örülni a kutatók a sikernek (korábban már voltak keserű tapasztalatok a túl hamar bejelentett, majd vaklármának bizonyult felfedezésekből).

De mik is azok a gravitációs hullámok, és miért olyan nehéz őket elcsípni? Ha a téridőt kétdimenziós lepedőként képzeljük el, nem nehéz belátni, hogy két egymás körül keringő, hatalmas gravitációs mezővel rendelkező objektum, például fekete lyuk ráncolódást hoz létre a téridő szövetében. De ugyanilyen hullámokat kelthet egy felrobbanó szupernóva sőt gyakorlatilag minden, nem tökéletesen gömbszimmetrikus test forgása. E hullámok terjednek a téridőben, és elméletileg a tárgyak hosszúságváltozását okozzák, de a hatás volumene szinte elképzelhetetlenül kicsi. Ha fogunk egy egyméteres fémrudat, az a gravitációs hullámok hatására mindössze tíz a mínusz huszonegyediken métert rezegne, amely milliószor kisebb, mint a proton átmérője. 

Valójában a gravitációs hullámokat már a hetvenes években sikerült kimutatni – csakhogy nem közvetlenül. Forgó kettőscsillagok sebességét figyelve kiszámolták, hogy pontosan annyi energiát veszítenek, amennyi az elméletben létező gravitációs hullámoknak feletethető meg. Tehát matematikai bizonyítékok már évtizedek óta rendelkezésre állnak, de az ember már csak olyan, hogy amíg nem lát valamit a saját szemével (vagy legalább nem épít olyan gépet, amely közvetlenül is ki tudja mérni az adott jelenséget), addig nem tekint semmit „felfedezettnek”. Sok sikertelen próbálkozás után a kilencvenes években született meg a végül nyerőnek bizonyult ötlet, mely szerint hatalmas lézer-interferométereket kell építeni, amelyek hosszú karjaiban tükrök között pattog a lézerfény rengetegszer, így az effektív távolság, amelyet a fotonok megtesznek, hatalmassá válik. A két karban független lézerfény pattog mindaddig, míg egyszer csak keresztezik egymás útját, és interferencia jön létre közöttük. Ha a gravitációs hullámok hatására az interferométer karja akár csak minimálisan is megnyúlik, az eltérést fog okozni a lézerfény fázisában, és a keletkező interferencia is érzékelhetően megváltozik.

A LIGO (lézer-interferométeres gravitációshullám-obszervatórium) két telephelye az Egyesült Államok egymástól háromezer kilométeres távolságban lévő két pontján épült föl. A karjaik hossza négy kilométer, ezekben pattog a lézerfény négyszázszor, így az effektív út 1600 kilométerre nő. Frei Zsolt elmondta nekünk, hogy ők 2007-ben csatlakoztak a LIGO-együttműködéshez. Bár a siker gyorsasága mindenkit meglepett, akkorra a konzorcium már bizonyította, hogy az előre meghatározott ütemben képesek növelni az obszervatórium érzékenységét, és csökkenteni a zajszintet, így „a felfedezés csak idő kérdése volt”.

Maga az első gravitációs hullám, amelyet az emberiség észlelt (azóta már több is volt), mindössze 0,2 másodpercig tartott. Rengeteg dolgot megtudtak e rövid idő alatt a hullámot keltő, két összeolvadó fekete lyuk természetéről. Az egyikőjük 29-szerese, a másik 36-szorosa volt a Nap tömegének. Amikor elkezdődött a gravitációs hullám, még 600 kilométer távolságban volt a két fekete lyuk egymástól, és az összeolvadásig nyolcszor keringtek egymás körül.

Nem elhanyagolható a LIGO-hoz nyújtott magyar hozzájárulás sem. Hat kutató az ELTE-ről, három a Magyar Tudományos Akadémia debreceni atommagkutató intézetéből és hárman Szegedről vettek és vesznek részt a kutatásokban. Ők fejlesztik például azokat az infrahang-mikrofonokat, amelyek a detektorokba építve segítenek a külső zaj kiszűrésében, de az időmérő berendezések megalkotásából is részt vállaltak.

A történet pedig csak most kezdődött, a gravitációs hullámok létének igazolása a fizika új fejezetét nyitotta meg.

– 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 – értékelte a felfedezést tavaly 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.