Egymilliárd euró a téridő fodrozódásaira

Az Európai Űrügynökség heteken belül dönt arról, hogy mi legyen a következő nagy tudományos programja. Egy röntgentávcső és egy gravitációshullám-detektor verseng a legnagyobb eséllyel a finanszírozásért, elemzők szerint a távcső esélyei jobbak.

Az Európai Űrügynökség (ESA) két évtizedenként három kiemelt tudományos küldetést valósít meg, amelyek általában 1 milliárd euró nagyságrendű költségvetéssel készülhetnek. Ez nagyjából az ESA egy évi költségvetésének harmada-negyede, de természetesen a nagy programok sok év alatt készülnek el.

Három nagy űreszköz

A mostani és a következő évtizedben megvalósítandó három L-osztályú (azaz nagy: large) űreszköz közül az elsőt (L1) már tavaly májusban megnevezték, a JUICE űrszonda a Jupiter jeges holdjait fogja kutatni. Várható indítási időpontja 2022. (Ennek megépítésébe – bár Magyarország egyelőre még nem tagja, csak ún. együttműködő állama az ESA-nak – magyar mérnökök is bekapcsolódhatnak.)

Bár a tagállamok képviselőiből álló tudományos programok bizottsága csak november végén hozza meg döntését az L-sorozat következő két küldetéséről (L2 és L3), annyit már tudni lehet, hogy az ESA tudományos igazgatója október végén a „forró és nagy energiájú Világegyetem”, illetve a „gravitációs Világegyetem” kutatását ajánlotta leginkább a bizottság figyelmébe. Annál is inkább, mert egy előkészítő bizottság szeptemberben nem kevesebb mint 32 benyújtott javaslat közül éppen az Athena+ röntgentávcsövet és az eLISA gravitációshullám-detektort esélyesnek a két befutó helyre.

A két űreszköz startját 2028-ra, illetve 2034-re tervezik.A mostani döntés tétje az, hogy melyik küldetés építését kezdhetik meg rövid időn belül és melyiknek kell várni hat évet a finanszírozásra – feltéve, hogy addig nem jön közbe valamilyen fontosabb vagy izgalmasabb kutatási lehetőség, ami további halasztást okozhat.

Az ESA korábbi nagy röntgentávcsöve, az XMM-Newton ilyennek látta az Eszkimó-köd forró belsejét. Az észlelt sugárzást 2 millió fok hőmérsékletű gáz bocsátja ki a 4000 fényév távolságban lévő planetáris ködben Forrás: ESA

Forró plazma és fekete lyukak

Az ESA évente közel 500 millió eurót költ tudományos programjaira, ami teljes költségvetésének kb. 12 százaléka. A tudományos program az űrügynökség úgynevezett kötelező programjai közé tartozik, vagyis az űreszközök megépítéséből minden tagállam kiveszi a részét, méghozzá nemzeti jövedelme arányában. Ebből a költségvetésből a 6-8 évenként esedékes nagy küldetések mellett egy sor jóval kisebb, néhány százezer eurós költségvetésű programot is végrehajtanak (M – medium és S – small, azaz közepes és kis küldetések).

Az Athena+ a Világegyetem forró anyagában lejátszódó nagy energiájú folyamatokat fogja követni, vagyis azokat, amelyek során röntgensugárzás bocsátódik ki. A röntgensugárzás intenzitásának mérésén kívül minden korábbinál pontosabb képet is alkot a röntgenforrásokról. Bár a Világegyetem látható anyagának mintegy fele ilyen forró állapotban található, ismereteink mégis meglehetősen hiányosak. Az új röntgentávcső segítségével választ kaphatunk a forró plazma és a fekete lyukak a Világegyetem fejlődésében játszott szerepét illető sok kérdésre. A kutatók a Világegyetem nagyléptékű szerkezetének pontosabb megértését is remélik a műszertől.

Fantáziarajz az Európai Űrügynökség következő nagy tudományos küldetésének tisztére pályázó Athena+ röntgentávcsőről. Ha idén kiválasztják, akkor a műszer 2028-ban indulhat a világűrbe Forrás: ESA

Ha a hónap végén az Athena+ sorsát illetően pozitív döntés születik, akkor jövőre az ESA kiírja a részletes megvalósítási pályázatot az európai űripar számára. Csak a beérkező javaslatok elbírálása után alakul ki az űreszköz pontos felépítése, műszerezettsége. Annyit azonban már előre tudni lehet, hogy az Athena+ mintegy 4 tonna tömegű lesz, és a fedélzeti rendszerek energiaellátásához napelemekkel 5 kW elektromos teljesítményt biztosítanak. A röntgentávcső a Nap-Föld-rendszer L2 Lagrange-pontjában, a Földtől mintegy 1,5 millió kilométerre fog keringeni, élettartamát 5 évre tervezik.

A téridő fodrozódásai

A röntgentávcső legesélyesebb versenytársa az eLISA (evolved Laser Interferometer Space Antenna) detektor, amelynek a gravitációs hullámok közvetlen kimutatása lenne a feladata. A gravitációs hullámok létezése Einstein általános relativitáselméletből következik. Hasonlóan ahhoz, ahogyan a gyorsuló mozgást végző elektromos töltések elektromágneses sugárzást (például fényt, rádióhullámokat vagy éppen röntgensugárzást) bocsátanak ki, a gyorsuló tömegek (a „gravitációs töltések”) a relativitáselmélet szerint gravitációs hullámokat bocsátanak ki. Kísérleti kimutatásukra az 1960-as évek vége óta több próbálkozás történt és történik jelenleg is. Csillagászati megfigyelésekkel közvetett úton sikerült kimutatni a létezésüket, a közvetlen „laboratóriumi” mérések azonban eddig még nem hoztak eredményt. Az egyik legnagyobb várakozással kísért földi kísérleti program a LIGO-együttműködés.

A LISA rendszer űrszondái egymástól néhány millió kilométer távolságban, egy egyenlő oldalú háromszög csúcsaiban helyezkednének el. Az óriási távolság néhány deciméteres változásait kellene kimutatniuk Forrás: ESA

Ami eddig nem sikerül a Földön, azt az eLISA kutatói az űrben szeretnék elérni. Ehhez három űrszondát terveznek egymástól legalább egymillió, más javaslatok szerint több millió kilométer távolságban elhelyezni. Ha egy térben és időben távoli forrásból (például egymással egyesülő fekete lyukakból vagy más, hasonlóan nagy energiájú jelenségből) érkező gravitációs hullám halad át a rendszeren, az űrszondák egymáshoz képest néhány deciméterrel elmozdulnak. Ezt a távolsághoz képest parányi tovalökődést kellene az érzékeny műszereknek kimutatniuk. A mérés elvét, megvalósíthatóságát a 2015-ben indítandó LISA Pathfinder küldetés hivatott kipróbálni. Az eLISA küldetés iránt amerikai együttműködő partnerek is érdeklődnek.

A gravitációs hullámok a tér szerkezetének az általános relativitáselmélet által feltételezett fodrozódásai. Ha a hullámok áthaladnak a LISA rendszer három műholdján, az űreszközök egymáshoz képest mért távolsága parányi változást mutat. A változások megmérése a gravitációs hullámok létezésének első közvetlen kísérleti bizonyítékát jelentené Forrás: ESA

Szakmai körökben úgy vélik, hogy a röntgentávcsővel az ESA a „valamivel kevésbé kockázatos” megoldást választaná. A röntgenégboltot már sok komoly űreszköz vizsgálta és vizsgálja, például az XMM-Newton, a Chandra, a Suzaku vagy a jövőre indítandó ASTRO-H. Ezekhez képest az Athena+ csak mennyiségi előrelépést jelenthet. Az eLISA-nak ezzel szemben nincs űrbeli versenytársa, neki a földi konkurenciával kell felvennie a versenyt. A kockázat nagyobb, a siker valószínűsége kisebb, de ha sikerülne a küldetés célját megvalósítani – esetleg a földi detektorokat is megelőzve – akkor igazán nagy horderejű felfedezés, minőségi ugrás születne.