A Mátra bejutott az elődöntőbe az óriásműszerért zajló versenyben

Lehetséges, hogy a Mátra hegységben épül meg az a hatalmas felszín alatti műszer, amely az Einstein által előrejelzett gravitációs hullámokat fogja minden korábbinál részletesebben vizsgálni. A gravitációs hullámok a Világegyetem eddig ismeretlen, viharos arcát mutatnák meg nekünk.

November 24. (szerda), 9.55

A legfrissebb hírek szerint Magyarország versenyben maradt az Einstein Teleszkóp megépítéséért, mert a szóba jöhető tizenegy országból "bejutott az elődöntőbe". Ennek alapján a Mátra hegység a három legesélyesebb jelölt között van az óriásműszer helyszínéért. Ezt Rácz István, az MTA KFKI RMKI Gravitációs Osztályának vezetője, az Einstein Teleszkóp magyar koordinátora mondta el lapunknak.

Újabb részletes beszámolóval rövidesen jelentkezünk rovatunkban a helyszínről, az építés környezeti hatásairól és az európai gravitációshullám-kutatásról, a VIRGO-rendszerről.

Korábbi információk

Albert Einstein 1916-ban jósolta meg a téridő görbületének hullámszerűen terjedő megváltozását, de eddig még nem sikerült kimutatni a gravitációs hullámokat. Pedig ha léteznek, másodpercenként számtalan haladhat át a testünkön.

Az elméletek szerint a gravitációs hullámok nagy tömegű égitestek mozgásakor keletkeznek, és energiát szállítanak el a forrástól. Gravitációs hullámokat bocsáthatnak ki a szupernóva-robbanások, miközben egy csillag magja neutroncsillaggá vagy fekete lyukká omlik össze. Fehér törpék, neutroncsillagok és fekete lyukak ütközése és összeolvadása is keltheti őket, sőt az Ősrobbanás utáni percekből származó gravitációs hullámok is létezhetnek.

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 felfedezése és vizsgálata az Univerzumban lezajlott kataklizmákról, extrém viszonyokról adna információt, köztük a Világegyetem keletkezése utáni pillanatokról is.

A láthatatlan hullámok kimutatása

A szakemberek szerint a gravitációs hullámok felfedezésére 10-20 éven belül kerül sor. A jelenleg is működő gravitációshullám-detektorok mellett már az erre szolgáló műszerek új generációját is tervezik. Ezek egyike lesz az Einstein Teleszkóp. A műszer európai együttműködés keretében épül meg, és több nemzetközi konferencia során készítik elő a megvalósítását. Ezen a héten budapesten zajlik egy ilyen találkozó, amelynek legfontosabb célja, hogy az eddig felmerült 11 helyszín körül kiválasszák a négy legjobb jelöltet. Erre a legnagyobb esélye Olaszországnak, Németországnak, Spanyolországnak és Magyarországnak van.

Fantáziarajz két fehér törpe egymás felé történő spirális mozgásakor keletkező gravitációs hullámokról (NASA)

"A Világegyetemnek egy teljesen új oldalát pillanthatjuk meg, akár közvetlenül az Ősrobbanás utáni pillanatokat is vizsgálhatjuk majd" - mondta Jacques Colas, az Európai Gravitációs Obszervatórium igazgatója a Magyar Tudományos Akadémián kedden tartott sajtótájékoztatón. Pálinkás József, az MTA elnöke elmondta: eddig az elektromágneses sugárzás különböző tartományait (optikai, infravörös, rádió, ultraibolya, röntgen stb.) vizsgálták a kutatók. Az Einstein Teleszkóp révén teljesen új típusú megfigyelésekre nyílna lehetőség, a távoli objektumok eddig ismeretlen oldalai vizsgálhatók a gravitációs hullámokkal.

Jelenleg is működnek már a gravitációs hullámokat kereső műszerek (interferomérterek) az USA-ban, Olaszországban, Németországban és Japánban. Ezek folyamatos fejlesztés alatt állnak, és valószínűleg a következő évtizedben felfedezik segítségükkel a gravitációs hullámokat. Az Einstein Teleszkóp építése körülbelül ekkor indul majd meg, és a műszer 2025-ben kezdheti meg munkáját. Az Einstein Teleszkóp a 2004 óta működő európai VIRGO utódja lenne.

VIRGO - három kilométer hosszú távcső az olasz síkságon

A gravitációs hullámok megfigyelésére készült, jelenleg működő egyik berendezés a VIRGO az olaszországi Arno-folyó síkságán. A VIRGO két, egyenként három kilométer hosszú csőből áll. A mérés elve az, hogy amikor gravitációs hullám halad át a rendszeren, a téridő torzulása révén a csövek hossza enyhén megváltozik, ez pedig a bennük vezetett fényhullámok interferenciája, tehát az egyik fényhullámnak a másikra kifejtett gyengítő vagy erősítő hatása megváltozásaként mérhető.

A VIRGO egyik állomása

A számítások szerint 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 VIRGO 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. A méréseket zavaró tényezők annál gyengébbek, minél mélyebben van a távcső - amit tehát érdemes a felszín alatt felépíteni.

Távcső elásott és lehűtött vákuumcsövekkel - talán Mátra gyomrában

A gravitációs hullámok hatására tehát a téridő enyhén zsugorodik vagy tágul, aminek megfigyeléséhez a távolságokat kell extrém pontosan mérni. Ehhez tükröket és róluk visszavert lézersugarakat használnak - a két tükör között a távolság megváltozását kell azonosítani. Az Einstein Teleszkóp esetében egy 10x10x10 kilométeres háromszög lenne 100-200 méterrel a felszín alatt, és azt vizsgálná, hogy az egyes oldalainak hossza miként változik a rajta áthaladó gravitációs hullámok következtében.

Animáció egy galaxis centrumában lévő szupernagytömegű és egy körülötte keringő kisebb fekete lyukról. Az objektumok egymáshoz közel mozogva gravitációs hullámokat bocsátanak ki, majd végül összeolvadnak

Jelenleg négy nagy esélyes ország van Európában, ahol az Einstein Teleszkópot megépíthetik - ezek egyike Magyarország. A tervek szerint a Mátrában lenne a műszer.

Az európai uniós kutatás-fejlesztési keretprogramban közel 4 milliárd eurót terveznek az Einstein Teleszkóp megvalósítására. Ennek keretében tíz év alatt egy olyan új kutatási központ épülhet fel hazánkban, amely mintegy 50 évig működne. Ha Magyarország nyeri el a megvalósítás lehetőségét, a közeljövő fejlesztései során minden egyes itthon befektetett magyar forint négy forint külföldi megrendelést hozhat. Az Einstein Teleszkóp létrehozásával hazánk olyan technológiai előnyre tenne szert szomszédjaihoz és sok európai államhoz képest, amely több évtizeden keresztül biztosítana anyagi hasznot az országnak - hangott el a sajtótájékoztatón.

Bárhol is épül meg, az MTI értesülései szerint a geológiai, szeizmológiai vizsgálat és a végleges döntés előkészítése várhatóan 2014-2015-ig tart, a helyszín kiválasztása és a részletes, konkrét helyre történő tervezés pedig 2016-2017-re várható. A szükséges alagútépítési munkálatok 2017-2018-ban kezdődhetnek, és várhatóan 2022-re készülnek el. Ezt követően körülbelül 2021-ben indulhat el a vákuumrendszer építése, 2023-tól a pedig detektorok kiépítése zajlik, míg az első adatok 2025-től várhatóak.

Magyarok már most a gravitációs hullámok nyomában

A VIRGO-hoz hasonló amerikai LIGO-detektorok üzemeltetését és az adatok kiértékelését a LIGO Scientific Collaboration (LSC) végzi, amelynek több tucat kutatócsoport és mintegy 700 szakember a tagja, közöttük az ELTE-n alapított, Frei Zsolt vezette Eötvös Gravity Research Group (EGRG) is - akik munkáját nemrég részletesen is bemutattuk.

[origo]: Mik a legfontosabb különbségek az Einstein Teleszkóp és a ma használt LIGO között?
F.Zs.: A LIGO a föld felszínén helyezkedik el, két egymásra merőleges karja van, amelyek 4-4 km hosszúak. Ezzel szemben a 2025-re tervezett Einstein Teleszkóp ki fogja használni az addig várható technikai fejlődést, és felszín alatti, három, egyenként 10 km-es karja lesz. A földalatti helyszín és a technikai fejlődés miatt 10-szer érzékenyebb lesz, mint a jelenleg működő (most éppen átépítés alatt álló) műszerek, azaz az ET 1000-szer akkora részét tudja majd megfigyelni az Univerzumnak, mint amire ebben az évtizedben képesek vagyunk. Én asztrofizikusként abban reménykedek, hogy sok eseményt mérhet majd az ET, igazi asztrofizikai obszervatóriumként működhet.

Mennyiben kamatoztathatók majd az ET használatában az Önök tapasztalatai, amit a LIGO-nál végzett megfigyelésekkel szereztek?
Mivel mindkettő földi (azaz nem az űrbe telepített) eszköz, ezért nagyon hasonló a működési elv. Az összes tapasztalatunk használható lesz az ET-nél is. Csoportunkat, az Eötvös Gravity Research Group-ot, amely az ELTE, a Szegedi Egyetem és a debreceni ATOMKI konzorciuma, éppen most hívták meg az amerikai Homestake bányában folytatott kísérletekhez: az általunk fejlesztett és gyártott infrahang mikrofonnal a föld alatti körülményeket fogjuk vizsgálni, azt, hogy egy esetlegesen a föld alá helyezett mérést ilyen zavaró hatások érhetnek. Munkánkkal a magyar közreműködés a harmadik generációs gravitációshullám-detektor fejlesztésében a tevékeny szakaszába lépett.

Az ET készítésekor milyen technológiát vagy módszert lehet majd alkalmazni, amit Önök már kipróbáltak, illetve fejlesztettek?
Minden olyan adatgyűjtési és adatfeldolgozási módszert, amelyet már aktívan folytatunk a LIGO-nál is. Az ELTE tanársegéde, Raffai Péter, illetve a szegedi egyetem docense, Gergely Árpád László már ténylegesen vezetett mérést a LIGO livingstoni lézer-interferométerénél (Louisiana, USA), illetve a teljes csoport aktív az adatkiértékelésben, a tudományos cikkek írásában. Természetesen a már említett infrahang-mikrofon is fontos az ET előkészítésében. Amint arról a budapesti konferencián is megjelenő Harald Lück (Hannover) korábban beszámolt, a létező akusztikus csatolódást a háttérzaj és a detektor jele között éppen az ELTE munkatársai mutatták ki először, éppen Hannoverben, az ottani 600 méteres detektoron 2009 márciusában.