Valóság a gravitációs hullám, bebizonyosodott Einstein elmélete

2016.02.11. 16:52

Amerikai kutatók bejelentették azt, amit Albert Einstein már száz évvel ezelőtt megjövendölt: a gravitációs hullámok léteznek, és - hála két egymással összeolvadó fekete lyuknak - először sikerült észlelni őket.

Nem kérdés, hogy tudománytörténeti jelentőségű bejelentést tettek a tudósok, hiszen a gravitációs hullámok új korszakát nyithatják meg a világűr kutatásának: olyan kozmikus események és objektumok válhatnak megfigyelhetővé, amikről korábban nem is álmodozhattunk. Ha nincs ideje elolvasni összefoglalónkat, akkor ebben a videóban három perc alatt megértheti, miről is beszél most a világ és holnap miről fognak a kollégák vitatkozni:

Nemcsak egy, hanem rögtön három korszakalkotó felfedezést is tettek a szakemberek: a gravitációs hullámoknak köszönhetően először sikerült kísérleti bizonyítékot találniuk arra, hogy két fekete lyuk egymás körül keringhet és összeolvadhat. Ez egy olyan energiájú folyamat volt, amit korábban nem sikerült még azonosítani a természetben.

Hatalmas mérföldkő a tudomány történetében

„2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint a délelőtti órákban jött a jel, egy rövid idejű, alig két tized másodpercig tartó felvillanás, amelyet a LIGO detektorai érzékeltek. Einstein elmélete alapján száz éve tudjuk, hogy a gravitációs hullámoknak létezniük kell, ennek ellenére a műszerek most érték el azt az érzékenységet, hogy egy erős gravitációs hullám látható legyen” – ismertette a felfedezést dr. Frei Zsolt, a Magyar Tudományos Akadémia doktora, az ELTE tanszékvezetője, aki a LIGO berendezés üzemeltetését és adatainak kiértékelését végző LIGO Scientific Collaboration (LSC) tagja.

Albert Einstein relativitáselmélete alapján már száz éve megjósolta a gravitációs hullámok létezését

Forrás: Wikimedia Commons

A mostani észlelésnél a jel/zaj arány 24, ami azt jelenti, hogy az észlelt gravitációs hullám elég erősnek tekinthető.

Összeolvadó fekete lyukakból érkeztek a hullámok

A jel rövidsége igazán érdekes. Kiderült, hogy a jel két egymás körül keringő és egymásba olvadó fekete lyuk páros alkotta rendszerből érkezett, amely a Földünktől 1,2 milliárd fényévre van. Ezek az objektumok évmilliókig keringenek egymás körül.  Ha energiát veszítenek, egyre közelebb kerülnek egymáshoz. Amikor már nagyon közel vannak, rendkívül sok gravitációs hullámot bocsátanak ki, még több energiát veszítenek, végül összeolvadnak. Ennek a folyamatnak az utolsó kéttized másodpercét sikerült elcsípni. Ami megdöbbentő, hogy a jelalak alapján ez a rövidke idő elég volt arra, hogy a fekete lyukak nyolcszor megkerüljék egymást.

Illusztráció két fekete lyuk ütközéséről

Forrás: NASA

A jelcsúcs az összeolvadás pillanatában jelentkezett. A jel ez után sem szűnt meg teljesen, ugyanis amíg az újonnan keletkezett fekete lyuk teljesen gömbszerű formát nem vett fel (tehát nem történt meg teljesen az összeolvadás), addig gravitációs hullámokat keltett. Amikor az égitest teljesen gömbszerűvé vált, már nem bocsátott ki hullámot, mert nem mozgott a térben tömeg - ami a gravitációs hullám létrejöttének feltétele -, hanem magában forgott.

Három korszakalkotó felfedezés

Azt is sikerült megállapítani, hogy az egyik fekete lyuk 29, a másik 36 naptömegű volt, és körülbelül 200 kilométerre lehettek egymástól, amikor a sugaruk összeért, tehát összeolvadtak. De hogyan lehet ezt ennyire pontosan meghatározni?

Egy művészi elképzelés a fekete lyukak ütközéséről

Forrás: National Astronomical Observatory of Japan

„A szép jelalak alapján” – mondta Frei Zsolt. Elméleti úton ki lehet számolni, hogy milyen jelalak várható, ha például 29 és 36 naptömegű fekete lyukak olvadnak össze. Aztán ezt az elméleti jelalakot illesztik a mérthez. A módszerrel nem csupán az objektumokat lehet azonosítani, de meghatározható többek között azok száma, tömege, sebessége, távolsága, vagy az, hogy mekkora tömegű lett a keletkezett égitest.

Azt is sikerült megállapítani, hogy az összeolvadt fekete lyuk 3 naptömegnyivel „karcsúbbá” vált  (62 naptömeg), mint ami az összeolvadó objektumok tömegének összeadásából (65 naptömeg) következne. Ez azért van, mert a 3 naptömegnyi anyag energiává alakult át, méghozzá a másodperc tört része alatt. „A megfigyelés azért jelentős nagyon, mert ez az első indirekt kísérleti bizonyíték arra, hogy léteznek kettős fekete lyukak, és képesek összeolvadni” – mondta Frei Zsolt.

Frei Zsolt szerint a harmadik nagy eredmény (a gravitációs hullámok első detektálása és az összeolvadó fekete lyukak létének bizonyítása mellett), hogy ekkora energiájú folyamatot (3 naptömeg * c2) nem sikerült még észlelni a természetben. A két objektum összeolvadásának energiája 3000 szupernóva-robbanás energiájának felel meg.

Honnan tudjuk, hogy jól mértek?

A LIGO kollaboráció sokáig titkolózott, nem véletlenül: el kellett végezni minden olyan analízist, ami bizonyítja a felfedezés hitelességét. Frei Zsolt szerint a jel szépen látható, jó jelforma, a LIGO mindkét detektora ugyanazt érzékelte 6,9 milliszekundumos különbséggel.

A Pisa mellett található Virgo gravitációshullám-detektor légi felvétele

Forrás: ESA

Ha 10 milliszekundumnál nagyobb lett volna az időkésés, akkor az hibás eredménynek számított volna. A két detektort ráadásul egy rakás, fizikai környezetet monitorozó eszköz (hőmérő, szeizmométer, nyomásmérő, vagy az ELTE kutatói által kifejlesztett infrahangmikrofon) is segíti. Ezek 300 csatornán gyűjtik a jeleket, amelyeket analizálnak, és összevetnek a gravitációs hullámok jelével. Ezzel kizárhatóak a földi zavarok.

A teljes vizsgálatra 50 millió számítógépórát szánt a LIGO-kollaboráció.  A megírt cikk a legrangosabb, fizikával foglalkozó szakfolyóirat, a Physical Review Letters szűrőjén is átment. A publikációt február 11-én hozzák nyilvánosságra, ez adja a csütörtöki sajtótájékoztató apropóját.

Vissza az almáig

A gravitációs hullámok a téridő görbületének hullámszerűen terjedő változásai, a világegyetem objektumainak mozgásáról szolgáltatnak információkat. Létezésüket 1916-ban jósolta meg Albert Einstein az általános relativitáselmélet alapján, megértésükhöz azonban egészen Newton almájáig kell visszarepülnünk.

A gravitációs hullámok megértéséhez egészen Isaac Newton almáiig kell visszamennünk

Forrás: Wikimedia Commons

Amikor az angol fizikus meglátta a fáról lehulló gyümölcsöt, azonnal megértette, hogy a földi tárgyakat és égitesteket mozgató erő ugyanaz. Ez az erő a tömegvonzás, vagy más néven a gravitáció, ami egy távoli kölcsönhatás - egymással fizikailag nem érintkező, de tömeggel bíró testek között hat. Minden tömeggel bíró testnek saját gravitációs tere van, amelyek összeadódnak. Newton úgy vélte, hogy ha egy tömeggel bíró test elmozdul, akkor a világegyetem egészében rögtön megváltozik a gravitációs tér  és így az objektumok által érzékelt gravitációs erők is azonnal módosulnak.

Kicsivel több mint 200 éven át a gravitációs tér változásairól alkotott elképzeléseinket Newton határozta meg. A nagy változást Albert Einstein általános relativitáselmélete hozta el, amely kimondja: a fénynél nem utazhat semmi sem gyorsabban, így a gravitációs tér változásai – vagyis a gravitációs hullámok - is csak fénysebességgel terjedhetnek. 

A videó két neutroncsillagot ábrázol, ahogy kerülgetik egymást 

Fodrok a lepedőn

A téridő a fizikában egy matematikai modell, egyesíti a tér három dimenzióját az idő dimenziójával. Ebbe a modellbe helyezi el a gravitációt a relativitáselmélet. Első olvasatra nehezen képzelhető el az egész elgondolás, ezért a fizikusok előszeretettel szemléltetik a téridőt rugalmas lepedőként.  Ha a lepedőre nem helyezünk semmilyen testet, akkor sík lesz a felülete, ha azonban vasgolyót rakunk rá, bemélyedés keletkezik, vagyis a tömeg meggörbíti maga körül a teret, ezért lép fel a gravitáció hatása. A sima felszínű lepedőn (sík téridőn) elgurított golyó egyenesen halad, a bemélyedés (a téridő görbülete) viszont eltéríti a golyó pályáját a vastárgy felé, ami úgy hat, mintha a nagyobb tömegű test magához vonzaná a kisebb tömegűt.

Számítógépes animáció a két fekete lyuk ütközéséből keletkező gravitációs hullámokról

Forrás: MPI

Ha a tömegek helyzetét megváltoztatjuk, akkor a lepedő felületén tovaterjedő fodrok keletkeznek, ezek a gravitációs tér változásai, azaz a gravitációs hullámok.

Láthatjuk tehát, hogy a gravitációs hullámokat a gyorsuló tömegek keltik, egyetlen probléma van velük: nagyon gyengék, ezért olyan nehezen észlelhetők. Még az „izmosabb” gravitációs hullámok is csupán 10-18 méter nagyságrendű elmozdulást okoznak, ami a proton átmérőjének mindössze ezredrésze. Ráadásul ezek forrásai is óriási tömegű és sebességű rendszerek - például ütköző és összeolvadó fekete lyukak, amik nem fordulnak elő közvetlen szomszédunkban.

Hogyan érzékelik a gravitációs hullámokat?

A titokzatos hullámok észlelése viszont nem lehetetlen, a feladatot a gravitációshullám-detektorok látják el. A gravitációs hullám hatása az, hogy a rá merőleges egyik téridő-koordinátatengely mentén a távolságok megrövidülnek, a rá merőleges másik koordinátatengely mentén pedig meghosszabbodnak. Emiatt a detektorok úgy épülnek fel, hogy két karjuk van, melyek L alakúak, és a berendezések a detektorok karjainak viszonylagos hosszát mérik az interferometria módszerével.

Az egyik LIGO érzékelő - mindegyiknek két kiálló karja van, a téridő hullámzása az egyiket megnyújtja, a másikat pedig összenyomja. Ezt a változást lézerek érzékelik

Forrás: Caltech/MIT/LIGO Lab

Ehhez két fénynyaláb találkozásakor keletkező interferencia-mintázatot kell megfigyelni. (Az interferencia egy fizikai jelenség, akkor következik be, ha két különböző forrású, összefüggő hullám találkozik.)

A detektor karjainak hosszváltozását mérni kell, ehhez egy lézersugarat bocsátanak ki, melyet egy nyalábosztóval kettéosztanak. A fény egyik fele továbbhalad az egyik kar mentén, a másik fele visszaverődik, és a másik karba jut. A karok végeinél és a nyalábosztónál tükrök vannak, ezek között pattog a lézerfény oda-vissza. Végül a két karból érkező nyalábok az elágazáshoz visszaérve interferálnak (találkoznak) egymással. Ha a két kar hossza változatlan, az egyesülő fényhullámok kioltják egymást és a detektor érzékelője nem észlel fényt. Ha a gravitációs hullámok bezavarnak, az egyik kar picit megnyúlik, a másik összehúzódik,  ami miatt a fénysugarak már nem tudják teljesen kioltani egymást, az érzékelőnél fényerősséget lehet látni. Ez két dolgot árul el: egyrészt a két kar viszonylagos hosszváltozásáról lehet megtudni adatokat, másrészt kinyomozhatóvá válik, hogy mi keltette a gravitációs hullámokat.

A LIGO egyik kutatója vizsgálja az egyik mikrohullámfrekvencia-mérő tükrét

Forrás: Matt Heintze/Caltech/MIT/LIGO Lab

Egy gravitációshullám-detektornál a legnagyobb technikai kihívás az, hogy a műszer elszigetelt legyen a külső hatásoktól, vagy azokat pontosan monitorozni lehessen - ezek ugyanis olyan rezgéseket keltenek benne, amelyek hamis jeleket eredményezhetnek.

A gravitációs hullámok azonosítója, a LIGO

A gravitációs hullámokat több „speciális” obszervatórium keresi világszerte. Közülük a legnagyobb a Caltech és az MIT által épített amerikai LIGO (Lézer-interferometriás Gravitációshullám-obszervatórium), amely tulajdonképpen két, egymástól 3000 kilométer távolságra fekvő detektor együttese. Az egyes detektorok 4 kilométer hosszú karokkal vannak felvértezve. Megépítésüket az amerikai National Science Foundation finanszírozta egymilliárd dollárból, de jelentős más amerikai intézetek és nemzetközi partnerek hozzájárulása is a projekthez. A LIGO mellett még a németországi GEO, az olaszországi Virgo és a japán TAMA játszik jelentős szerepet a hullámok keresésében.

A LIGO munkacsoportjai
A LIGO négy különböző munkacsoportja fürkészi a gravitációs hullámokat attól függően, hogy milyen eredetűek az észlelések. Az első csoport a „felvillanásszerű" jeleket kutatja, ezek például szupernóva-robbanásból, csillagrengésből származnak, ezt keresik az ELTE kutatói. A második csoport a hosszan tartó jeleket figyeli, ezek például a fekete lyukak keringéséből, összeolvadásából származhatnak. A harmadik csoport a hosszan megmaradó, konstans frekvenciájú hullámzást kutatja, például a pörgő neutroncsillagok ilyen hullámokat keltenek. A negyedik csoport tagjai olyan hullámokra vadásznak, amelyek nagyon távoli forrástól vagy a világegyetem korai időszakából származnak.

A gravitációs hullámok forrásainak lokalizálásához több detektorra van szükség, ezért is áll két műszerből a LIGO. Mivel jelenlegi elméleteink alapján a hullámok fénysebességgel terjednek, eltérő időpontban érik el a LIGO detektorait. Ezt az időkülönbséget használják fel a szakemberek ahhoz, hogy meghatározhassák a jel forrásának irányát. Emellett több detektorral a mérési adatsorokat torzító zajokat is ki lehet szűrni – ha például egy jelet csak az egyik detektorban észlelnek, a másikban meghatározott időn belül nem, akkor a tudósok figyelmen kívül hagyják az észlelést.

A LIGO detektoregyüttesben megvan a potenciál, hogy 10-szer érzékenyebbé váljon,  jelenleg ennek elérésén dolgoznak a tudósok. „Ha a finomhangolás megvalósul, akkor havonta, de akár hetente is érzékelhetünk gravitációs hullámokat” – mondta Frei Zsolt.

Magyarok a kutatásban

A LIGO működtetéséért és az adatok gyűjtéséért, kiértékeléséért, közzétételéért a LIGO Scientific Collaboration (LSC) felelős, amelynek kilencven kutatócsoport, köztük az ELTE-n alapított Eötvös Gravity Research Group (EGRG) is tagja. A magyar kutatók a teljes munkafolyamatban részt vesznek, sőt még hardvert (infrahangmikrofont) is gyártottak az együttműködés számára, amit le is szállítottak az USA-ba. A mérések végzése és vezetése is feladat, ennek zavartalanságát a nap 24 órájában biztosítani kell.

2014-ben úgy tűnt, a Harvard-Smithsonian kutatói a BICEP2 távcsővel megtalálhatták a „homokfodrokat", azaz a legősibb gravitációs hullámok nyomait

Forrás: Harvard Egyetem / Steffen Richter

Az ELTE kutatói részt vesznek a jelkereső algoritmusok kidolgozásában, a szoftverek megírásában és azok használatában. Sőt még műszakfelügyeletet is biztosítanak itthonról, ebbe a munkafolyamatba hallgatók is bekapcsolódhatnak.

„A LIGO-együttműködés egy harmadik detektor megépítését is tervezi Indiában” – mondta Frei Zsolt. Az ELTE egyik kutatója, Raffai Péter számolta ki, hogy hol álljon az Indiába tervezett L alakú detektor ahhoz, hogy az amerikai kutatóeszközökkel együttvéve a lehető legérzékenyebb legyen. A három detektor lehetővé tenné, hogy körülbelül behatárolják, honnan érkezett a gravitációs hullám. Ez egy elég nagy terület, de egy „galaxiskatalógus” segítségével – mely több millió galaxis koordinátáit tartalmazná – meg lehetne adni annak a néhány száz csillagvárosnak az adatait, amelyek az említett régióban találhatók.  Ezután az optikai és rádiótávcsöveket ezekre a galaxisokra lehetne irányítani. A galaxiskatalógus megalkotásán ugyancsak az ELTE kutatói dolgoznak.

Új ablak az univerzumra

Természetesen a legfontosabb kérdés, hogy milyen gyakorlati jelentősége van a gravitációs hullámok felfedezésének. A válasz az, hogy több is: egyrészt új korszak jöhet a világűr kutatásában, hiszen mostanáig az elektromágneses sugárzás különböző formáinak megfigyelésére kellett hagyatkozni.

A gravitációs hullámok segítségével az univerzum keletkezéséről is többet tudhatunk meg

Forrás: Stanford University/John Wise, Tom Abel, Ralf Kaehler

Ezzel több probléma is akad, például az, hogy az elektromágneses hullámok visszaverődhetnek vagy elnyelődhetnek, ha valamilyen anyaggal találkoznak a megfigyelő és a forrás között. Ezzel szemben a gravitációs hullámok számára az univerzum szinte teljesen átlátszó, akadálytalanul haladnak keresztül mindenen,  az anyag érdemben nem befolyásolja őket. Ez a tulajdonság lehetővé teszi, hogy olyan objektumokat fedezhessenek fel a tudósok a kozmoszban, amelyeknek a detektálására eddig nem volt lehetőség, illetve olyan csillagászati folyamatokba nyerjenek betekintést, amik nem bocsájtanak ki fényt.

Izgalmas lehetőség, hogy a világegyetem születésének korai időszakába is betekinthetünk. A gravitációs hullámok számára ugyanis az univerzum sokkal korábban – már az első másodperc törtrésze után - átlátszóvá vált, mint a fény számára, és mivel pontosan olyan formában vannak jelen, mint annak idején, megfigyelésükkel sokat megtudhatunk a világegyetem kezdeti időszakáról. 

KAPCSOLÓDÓ CIKKEK