A térségből csak mi vadászunk a rejtélyes gravitációs hullámokra

Az Ősrobbanás feltételezhetően gravitációs hullámok háttersugárzását is létrehozta, amelyek a téridő finom torzulásaiként ma is kitöltik a világűrt, és információt hordoznak az Univerzum legkorábbi állapotáról. Hamarosan egy hazai fejlesztésű műszer, egy infrahang-mikrofon is közreműködik a rájuk való vadászatban.

A magyar fejlesztésű infrahang mikrofon prototípusa (EGRG)

Milyen lehetett Világegyetemünk a születését követő pillanatokban? Egy lépéssel közelebb visz a válaszhoz a Nature augusztus 20-i számában megjelent, Felső korlát a kozmológiai eredetű gravitációshullám háttérsugárzás amplitúdójára című cikk, amelynek társszerzői között magyar kutatók is vannak.

Gravitációs hullámok

A gravitációs hullámok a téridőben terjedő hullám jellegű változások, amelyek nagytömegű kompakt objektumok mozgásakor támadnak, és energiát szállítanak el a forrástól. Einstein relativitáselmélete előrejelzi létezésüket, de megfigyelni még nem sikerült őket. Felfedezésük és jövőbeli tanulmányozásuk az Univerzumban lezajlott kataklizmákról, extrém viszonyokról adna információt, köztük a Világegyetem keletkezése utáni pillanatokról is.

A Nature-ben megjelent cikk rámutat arra, hogy a LIGO berendezései (lásd később) a jelenlegi érzékenységük mellett még nem találták nyomát az Univerzum korai szakaszából, az Ősrobbanás utáni percből származó gravitációs hullámoknak. Korábban a kozmikus háttérsugárzás anomáliái alapján lehetett az ősi gravitációs hullámok szabálytalanságaira következtetni - azonban sokkal bizonytalanabbul, és a kezdő időpillanat után sokkal későbbi időpontban, mint a LIGO segítségével.

Ha sikerülne ezeket a hullámokat megfigyelni, azok feltehetőleg egy "véletlen eloszlású" háttérként jelentkeznének. Olyan összképet mutatnának, mint amilyennek egy víztükör fodrozódását látjuk, amikor sokféle irányból különböző méretű hullámok érkeznek, és azok kölcsönhatásaként bonyolult hullámkép keletkezik. Hasonlóan a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzáshoz, az Ősrobbanás feltételezhetően gravitációs hullámok háttersugárzását is létrehozta. Ezek a téridő finom torzulásaiként ma is kitöltik a világűrt, és információt hordoznak az Univerzum legkorábbi állapotáról - de megfigyelésük ma még nagy kihívás.

LIGO: egy fura távcső

Einstein relativitáselmélete 1916-ban jósolta meg a gravitációs hullámok létét. Jelenlegi fizikai világképünk szerint is léteznek, és közvetett jelenlétüket a PSR 1913+16 jelű pulzár viselkedése alapján sikerült is kimutatni - az igazi áttörés azonban egy gravitációs hullám közvetlen megfigyelése lenne egy földi detektorral.

A gravitációs hullámok megfigyelésére készült a LIGO nevű berendezés, amely a Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, azaz Lézer-Interferometriás Gravitációshullám Obszervatórium kifejezésből képzett mozaikszó. A program elsősorban az USA kormányától az MIT és a CalTech egyetemeknek juttatott félmilliárd dollárnyi támogatásából épül, és magyar kutatók is közreműködnek benne - egyedüli államként kelet-közép-európában.

A LIGO egyik állomása

A LIGO nem hasonlít hagyományos távcsövekre: két darab, egyenként négy kilométer hosszú csőből áll, amelyek az USA sivatagos, illetve mocsaras, ritkán lakott vidékein találhatók. Két ilyen berendezés áll egymástól 3000 kilométerre, belsejükben interferométerekkel. Amikor egy gravitációs hullám halad át a rendszeren, a téridő torzulása révén a csövekben mérhető távolság hossza enyhén megváltozik, ez pedig a bennük vezetett fényhullámok interferenciája, tehát az egyik fényhullámnak a másikra kifejtett gyengítő vagy erősítő hatása megváltozásaként mérhető.

A két cső végein rögzített tükröknél a tipikus gravitációs hullámok 10^-18 méter nagyságrendű elmozdulást okozhatnak, ami a proton átmérőjének mindössze ezredrésze - ezért nehéz a megfigyelés. A LIGO egyik legnagyobb technikai kihívása az, hogy a műszer elszigetelt legyen a külső hatásoktól vagy azokat pontosan monitorozni lehessen - ezek ugyanis olyan rezgéseket keltenek benne, amelyek hamis jeleket eredményezhetnek.