Egy kis fizika!! Ismerjük meg a világunkat.

Szeretettel, 

Csaba t. 

Újabb gravitációs hullámot észleltek a LIGO kutatói, immár az ötödiket. De ez sokkal nagyobb durranás az előzőeknél, a jelentősége a nagy szenzációt kiváltó legelső észleléséhez fogható.

Ez az eddigi legerősebb, legtovább tartó és legközelebbről észlelt hullám.

Az összes eddigi hullám két fekete lyuk összeütközéséből származott, ezt viszont két neutroncsillag találkozása hozta létre. Ez azért fontos, mert a fekete lyukakéval ellentétben a neutroncsillagok ütközése elvben hagyományos módszerekkel is megfigyelhető.

A hullám után két másodperccel több űrtávcső is rövid gamma-kitörést észlelt, minden jel arra utal, hogy a két jelenség forrása ugyanaz. Mivel a gamma-kitörésből a forrás távolsága nem állapítható meg, a gravitációs hullámból viszont igen, a csillagászok új vonalzót kaptak a megfigyeléseik pontosításához.

A magyar kutatók minden eddiginél közvetlenebb szerepet játszottak a felfedezésben: a gamma-kitörés forrásának látható utófényét felfedező csillagászok közül a legtöbb az ELTE-s kutatók galaxiskatalógusát használta a felfedezéshez.

A hullám, a gamma-kitörés és az utófény együttes megfigyelésével a többcsatornás csillagászat korszakába léptünk.

A magyar galaxiskatalógust arra is felhasználják, hogy a gravitációs hullámok alapján kiszámolják a világegyetem tágulásának ütemét, ami élénk tudományos vitában tehet majd igazságot. Ezzel beköszöntött a három évtizede megálmodott gravitációshullám-kozmológia kora, az első úttörő tanulmányokon magyar kutatók is dolgoztak.

Bebizonyosodott, hogy az ön aranyékszerének anyaga is összeütköző neutroncsillagokból származik.

Ötödször is gravitációs hullámot találtak a kutatók. Ez az észlelés augusztus 17-én, magyar idő szerint 14:41-kor történt, és a dátum alapján a jel a GW170817 nevet kapta.

Mivel a legutóbbi gravitációshullám-felfedezést alig három hete jelentették be, joggal érezhetnénk, hogy lassan egyre kevésbé érdekes egy-egy ilyen eredmény. Ezúttal azonban nemcsak egy újabb, mára rutinszerű észlelésről van szó, az eddigiekhez képest minőségileg más kategória a most bejelentett felfedezés. Az elfogott gravitációs hullámot ugyanis most először két neutroncsillag tánca produkálta, amiből egész sor izgalmas dolog következik.

Könnyen lehet, hogy ez lesz a valaha volt leghivatkozottabb felfedezés az asztrofizikában. Sokan már az első észlelésről is ezt mondták, de most a gravitációshullám-kutatók és a hagyományos csillagászok együtt fedeztek fel valami mindannyiuk számára fontosat

– mondta az Indexnek Raffai Péter, aki a kutatásban résztvevő ELTE-s csapatban az adatelemző munkát vezeti.

Kövesse velünk végig, mi ez az egész, és miért tudománytörténeti jelentőségű:

Először röviden összefoglaljuk, mi is ez a gravitációshullámosdi és mi történt eddig – ha úgy érzi, képben van, ezt a részt nyugodtan ugorhatja (görgesse át vagy kattintson ide). Aztán megnézzük,

miért különleges maga az új gravitációs hullám,

hogyan változtatja meg a ma ismert csillagászatot, és

hogyan segít jobban megérteni a világunk keletkezésének történetét.

Az előző részek tartalmából

Az utóbbi évtizedek egyik legnagyobb visszhangot kiváltó tudományos eseménye volt, amikor a LIGO Tudományos Együttműködés (LSC) nevű ezer fős nemzetközi kutatócsoport tavaly februárban bejelentette, hogy először észleltek gravitációs hullámokat – éppen száz évvel azután, hogy Einstein megjósolta, hogy létezniük kell, de valószínűleg sose találjuk meg őket. Na de mik is ezek?

Valószínűleg ez lesz a fizika legtöbbet hivatkozott cikke: teljesen új eszközt kaptak kezükbe a csillagászok, már most is olyan dolgokat láttunk, amiket eddig soha. A kísérlethez magyar kutatók műszert fejlesztettek, műszakot vezettek és galaxistérképet készítettek.

Tovább

Gyakran idézett hasonlat, hogy a tér olyan, mint egy nagy gumilepedő: a tömeggel bíró testek úgy görbítik meg maguk körül a teret, mint ahogy egy tekegolyó alatt hajlik meg a lepedő. A térnek valójában ezt a meggörbülését érzékeljük mi gravitációként. A tér görbülete követi a testek mozgását is, és a mozgó testekkel a tér görbülete is együtt változik.

Ha két extrém nagy tömegű test mozog egymás körül, a tér általuk okozott görbülete úgy hullámzik tovább, ahogy a lepedő fodrozódásai, ha két tekegolyó gurul rajta körbe-körbe, egymáshoz közelítve. Einstein száz éve rájött, hogy a tér és az idő változásai összefüggnek, ezért a tér torzulásai időbeli torzulásokat is okoznak.

A gravitációs hullámok tehát a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai, vagy másképpen fogalmazva fodrozódások a téridő szövetében.

Többféleképpen létrejöhetnek, a korábbi négy hullám két fekete lyuk, a most bejelentett ötödik pedig két neutroncsillag összeolvadásakor keletkezett. Ezek az ütközések az adott rövid időpillanatban nagyobb energiát bocsátanak ki, mint amekkorát a világegyetem összes csillaga és galaxisa együttvéve fény formájában kisugároz.

Ugyanezt nézhetik meg szemléletesebben ezen a videón is:

A gravitációs hullámokat úgynevezett lézer interferométerekkel tudják érzékelni a kutatók. Ezek a detektorok leegyszerűsítve több kilométer hosszú, L alakban elhelyezett vákuumcsövek, amelyben egymásnak irányítanak két lézersugarat. Ezeket a sugarakat használják vonalzóként a hullámok kereséséhez, mert a fotonjaik fénysebessége állandó, így ha mégis a szokásosnál hosszabb vagy rövidebb idő alatt érnek el ugyanoda, azzal közvetve jelzik a téridő átmeneti megnyúlását vagy összehúzódását – vagyis a gravitációs hullámok áthaladását. Ilyen detektorból eleinte kettő működött: az Egyesült Államok két egymástól távoli pontján felépített LIGO-detektorok. Ezekhez csatlakozott idén augusztus 1-jén az olaszországi Virgo-detektor is, ezzel a kutatás már három detektorral folyik.

Eddig tehát négy gravitációs hullámot észleltek. Az első megtalálásával tavaly februárban álltak elő a kutatók. A másodikat tavaly júniusban, a harmadikat idén júniusban, a negyediket pedig pár hete, szeptemberben jelentették be. Az első hármat még két detektorral találták, a negyedik volt az első, amelyet már hárommal, ami segített a korábbiaknál pontosabban meghatározni a származása helyét.

Összesen ez a negyedik, ezzel szenzációból rutinná vált az összeolvadó fekete lyukak észlelése. Einsteinnek újabb dologban volt igaza.

A gravitációs hullámok jelentőségét mutatja, hogy már a kollaboráció eddigi munkáját is fizikai Nobel-díjjal ismerték el két héttel ezelőtt – és még csak ezután érkezett a friss bejelentés: a kutatók neutroncsillagok összeolvadásából származó hullámjelet észleltek.

I. Ez a gravitációs hullám más, mint a többi

Az, hogy a mostani felfedezés ilyen hamar megtörtént, még a kutatókat is meglepetésként érte.

“Én azt nyilatkoztam a harmadik feketelyuk-felfedezés után, idén tavasszal, hogy mostantól nem is fogunk szólni, ha találunk még egyet, mert az nem lesz jelentősen más fizika; az majd akkor lesz, ha neutroncsillag-páros jelét látjuk, ahhoz viszont még sokat kell finomítani a berendezéseket, hogy az ilyen, sokkal kisebb jelet is érzékeljék – mondta az Indexnek Frei Zsolt, az ELTE-s LIGO-csoport vezetője.

Erre csak két-három év múlva számítottunk. Hogy mégis már most megtörtént, ez annak a véletlennek köszönhető, hogy ez az esemény egy rendkívül közeli galaxisban történt, kozmikus értelemben a közvetlen környékünkön.

A neutroncsillag egyfajta maradványcsillag. A nagyobb csillagok felrobbanása (a szupernóva-robbanás) után kétféle mag maradhat hátra, egy bizonyos tömeg felett fekete lyuk, alatta neutroncsillag keletkezik.

Amikor két neutroncsillag egymás körül kering, ez a kettős rendszer – ugyanúgy, ahogy a korábbi észleléseknél a két fekete lyuk – energiát veszít, amelyet gravitációs hullámok formájában ad le. Az energiaveszteség miatt egyre közelebb zuhannak egymás felé, és egyre felgyorsul a keringésük. “Mint a korcsolyázó, amikor behúzza keringés közben a két karját” – szemlélteti Raffai Péter. A folyamat végén a két neutroncsillag összecsattan, és vagy fekete lyuk, vagy újabb neutroncsillag keletkezik belőlük (erről ma még vitatkoznak a tudósok).

Mindebből a LIGO-detektorok az ütközést megelőző bespirálozást észlelték.

A detektorok ugyanis egy bizonyos frekvenciasávban érzékenyek, a gravitációshullám-jelekből csak azt a szakaszt látják, amelyik ebbe a sávba esik, márpedig ez neutroncsillagoknál a bespirálozás egy szakasza, maga az ütközés és ami utána következik, már nincs benne ebben a tartományban. (Az első felfedezésnél például, amikor fekete lyukak olvadtak össze, észlelték a bespirálozást, az összeütközést és a keletkező nagyobb fekete lyuk utócsengését is.)

A jelből, illetve abból, hogy ugyanaz a jel a különböző detektorokban hogyan jelenik meg, a hullám forrásának több tulajdonságát is rekonstruálni lehet.

Először is az irányát. Egyrészt a világegyetemen fénysebességgel átszáguldó gravitációs hullám különböző időpillanatokban ér el egy-egy detektort, aszerint, hogy milyen irányból jön. Másrészt a detektoroknak különböző irányokból jövő jelekre különböző az érzékenységük. A most bejelentett jelet például csak a két LIGO-detektor érzékelte, a Virgo nem, de ez is hasznos információ: azzal, hogy nem észlelte az egyébként a hatótávolságán belülre eső jelet, a kutatók ki tudtak zárni bizonyos irányokat. Az időkésésekből és irányérzékenységekből ki lehet kombinálni, körülbelül honnan kellett, hogy jöjjön a hullám. Ezúttal egy 34 négyzetfok nagyságú égterületre sikerült szűkíteni a lehetőségeket, ami nagyjából háromszor akkora, mint amit a kinyújtott kezünk hüvelykujjával ki tudunk takarni az égen. Ez minden eddiginél jobb eredmény, hiszen az eddigi legpontosabban belőtt irányú jel a legutóbbi, első háromdetektoros észlelés volt: az akkor azonosított égterület 60 négyzetfokos volt, vagyis majdnem duplája a mostaninak.

A másik fontos tulajdonság a tömeg. Abból, hogy a bespirálozás milyen ütemű, milyen gyorsan csökken a két objektum pályája, lehet következtetni a tömegükre. Ezúttal mindkét spirálozó objektum tömege 1,1 és 1,6 naptömeg közé esett, miközben a korábbi észlelések fekete lyukai több tíz naptömegnyiek voltak – a kutatók eleinte éppen abból következtettek arra, hogy most neutroncsillagokról van szó, hogy rájuk jellemző ez a tömeg. “Mindig is tudtuk, hogy egy neutroncsillag nagyságrendileg egy-két naptömegű lesz, a fekete lyukak három, de leginkább öt naptömegnél kezdődnek” – mondta Frei Zsolt.

Ha viszont a tömegeket ki tudják következtetni, akkor abból már a forrás távolságát is meg lehet becsülni. Azt ugyanis pontosan ki tudják számolni, hogy ilyen tömegű rendszerből mekkora gravitációs hullámnak kell jönnie, és minél kisebb amplitúdóval éri el a jel a detektorokat, annál távolabbról kellett, hogy induljon. A forrás becsült távolsága 130 millió fényév, ezzel ez az eddigi legközelebbről észlelt gravitációshullám-jel, és időben ez volt a leghosszabb, körülbelül száz másodperces. (Ezalatt háromezer keringést tettek meg egymás körül a neutroncsillagok, míg az első észlelésnél a két fekete lyuk két tizedmásodperc alatt csak nyolcat.) És mivel közelről jött és sokáig észlelték, egyúttal ez volt a legerősebb (a zajból legkönnyebben kihallható) jel is.

Annak pedig, hogy a gravitációshullám-jellel közvetlenül távolságot lehet mérni, kulcsszerepe lesz a továbbiakban.

II. A többcsatornás csillagászat születése, magyar közreműködéssel

Ahogy sokan elmondták már az első felfedezés kapcsán is, a gravitációs hullámok észlelésével új érzékszervet nyert az emberiség: eddig csak láttak, most már hallanak is az eget kémlelő kutatók, ezzel olyasmit sikerült megfigyelni, amit korábban nem lehetett. Az egyre újabb észlelések során pedig folyamatosan finomodott ez az új érzékszerv, egyre jobban hallottunk vele. Az igazi áttörést viszont az jelenti, ha a különböző érzékszervek nem külön-külön működnek, hanem ugyanazt a jelenséget sikerül megfigyelni velük, amelyről így sokkal többet lehetne megtudni. Ez a régi vágy vált most tudományos valósággá.

A gravitációs hullámoknak sokkal nagyobb hatása lesz, mint amit ma el tudunk képzelni, rejtélyek sorához juthatunk közelebb. Interjú a felfedezésben résztvevő 2 magyarral, akik szerint a magyar tudósok hatásfoka a világelsők között van. De ki kapná a Nobel-díjat a felfedezésért?

A nagy fordulat akkor jött, amikor kiderült, hogy a LIGO-észlelés után kettő másodperccel a Fermi és az INTEGRAL nevű gamma-sugár űrtávcső is érzékelt egy rövid gamma-kitörést, amely a GRB170817A nevet kapta.

A gamma-sugárzás a legkisebb hullámhosszú, legnagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás. Gamma-kitörésnek azokat a felvillanásokat nevezzük, amikor egy forrásobjektum két ellentétes irányú nyalábban óriási energiájú gamma-sugárzást bocsát ki. Ilyen gamma-kitörésből kétfélét tartanak számon: hosszút és rövidet, utóbbi két másodperc vagy annál is rövidebb. A most észlelt pont két másodperces volt.

Márpedig a rövid gamma-kitörésekről sejtik, hogy a forrásaik éppen összeütköző neutroncsillagok, így rögtön felmerült, hogy a gravitációshullám- és a gamma-jelnek köze lehet egymáshoz. A gamma-detektorok észlelései alapján is kiszámolható egy égterület, hogy honnan jöhetett az általuk érzékelt jel, de amit ebből ki lehetett számolni, az több tízszer akkora, mint amit a gravitációshullám-jelből sikerült meghatározni. Az viszont biztató volt, hogy ez a nagyobb terület a LIGO kisebb égterületét is magában foglalta.

Maga a gamma-jel is érdekes

A forrás távolságát magából a gammajelből nem lehet megállapítani, a gravitációshullám-jelből viszont igen, így ha ebből rekonstruáljuk a távolságot, kiderül, hogy ez a valaha volt legközelebbi rövid gamma-kitörés. Olyannyira, hogy tízszer olyan közel történt a jelet eredményező összeolvadás, mint a korábbi rekorderé, amire senki nem számított. Tehát még gravitációs hullámtól függetlenül is izgalmas az GRB170817A nevű jel, csak anélkül ez nem feltétlenül derült volna ki.

Eddig tehát minden stimmelt: a gravitációs hullám és a gamma-kitörés időben egybeesik, mindkettő forrása valószínűsíthetően neutroncsillag, és az égi irányuk is egybevág. A három tényező alapján már nagy bizonyossággal állítható, hogy a két jel forrása ugyanaz.

A két jel után a harmadik kérdés az volt, hogy sikerül-e a forrás utófényét is észlelni. Ez azért érdekes, mert ezzel lehet megtalálni a konkrét forrásgalaxist, ahonnan a gravitációs hullám és a gamma-kitörés is érkezett. Az utófényt először az optikai tartományban keresik, magyarul azt nézik meg, hogy van-e látható fénye, mert az ezt érzékelő kisebb távcsöveket a legkönnyebb célra állítani. Na de milyen célra?

A gravitációshullám-detektorok már kijelöltek egy minden eddiginél kisebb égterületet, de ez még mindig túl nagy ahhoz, hogy egyszerű távcsövekkel az egészet le lehessen fedni. Ezért az ilyen megfigyelésekhez galaxiskatalógust szoktak használni a csillagászok, mert így nem kell az egész égterületre figyelni. Elég megnézni, hol vannak olyan galaxisok, amelyek lehetséges forrásgalaxisok, vagyis az adott területen belüliek, és még távolságban is stimmelnek. Ehhez viszont egy elég részletes és pontos galaxiskatalógust kell összeállítani.

Ezt a munkát pedig az ELTE kutatói végezték el.

A GLADE nevű, szabadon elérhető katalógus elkészítését pár éve vállalták el, akkor még nem lehetett tudni, hogy tényleg lesz-e lehetőség egy forrásgalaxis pontos beazonosításában hasznosítani. Most annyiban szerencséjük is volt, hogy ha nagyon távoli lett volna a forrás, akkor még kis égterületen belül is olyan sok galaxis jöhetett volna szóba, hogy már katalógussal se nagyon lehetett volna megtalálni. A közelről érkező jel viszont hirtelen felértékelte a magyar fejlesztésű katalógust.

Azzal, hogy a magyaroknak volt egy kész katalógusa, elsőként tudtak kiküldeni egy ajánlott listát a lehetséges forrásgalaxisokkal, amely alapján a LIGO-kollaboráció csillagászpartnerei rögtön el is kezdhették a keresést. A magyar katalógus segítségével többen meg is találták az utófényt, ezzel a jelek forrását, méghozzá az NGC 4993 nevű galaxist, amely Magyarországon is látható tavasszal a Hydra csillagképben.

Az utófényt 7 független csillagászpartner fedezte fel egymástól függetlenül. Ebből 4 konkrétan a magyarok katalógusával, 2 pedig egy olyannal, amely szintén része volt a magyarokénak, csak egy régebbi verzió. A hetedik partner távcsöve jelentősen nagyobb égterületeket látott be a megfigyeléseivel, ezért végül katalógus nélkül is megtalálta a forrást, bár nem elsőként. A gyorsaság a csillagászok közti versengésen túl azért is számít, mert minél előbb találják meg az utófényt, annál tovább lehet követni, ahogy halványul, amiből sok érdekességet lehet megtudni.

A katalógus frissítése folyamatos munka, de ez fel is pörgött a felfedezéssel, Raffai Péter szerint a megfigyelés alatt rengeteg visszajelzést kaptak a csillagászoktól. A céljuk, hogy minél teljesebb legyen a lista, ne fordulhasson elő, hogy azért nem vesznek észre valamit, mert a forrásgalaxis hiányzott a katalógusból, ezért nem is figyeltek oda rá. De ezen a távolságon belül, ahonnan most a jel jött, gyakorlatilag száz százalékos a magyar katalógus. Ezzel – bár egy-egy irányba létezik kiterjedtebb katalógus – az ELTE-seké most a világ legrészletesebb teljeség-katalógusa, vagyis ez az égbolt legteljesebb minden irányra kiterjedő háromdimenziós térképe.

A kutatók tehát ugyanabból a forrásból észleltek egy gravitációs hullámot, majd egy rövid gamma-kitörést, végül ennek az utófényét (előbb az optikai, később a röntgen- és a rádió-tartományban is, mert maga a forrás is különböző időben bocsátja ki ezeket). Ez az első alkalom, hogy ilyen részletességgel sikerült megfigyelni két neutroncsillag összeütközését, a több különböző információhordozó valóságos aranybányát jelent a kutatóknak.

Ez a többcsatornás csillagászat, amire még soha nem volt példa a tudománytörténetben.

Eleinte csak hagyományos módszerek álltak rendelkezésre, aztán jöttek a gravitációshullám-detektorok, de mostanra értek össze az eszközök, most kezdtük el egyszerre látni és hallani is a minket körülvevő világegyetemet.

“A többcsatornás csillagászat, ahol elektromágneses hullámokat, részecskéket és gravitációs hullámokat egyszerre használunk fel, régi álom, de legtöbben lehetetlennek tartották. A LIGO-ban már közel két évtizede fejlesztünk és publikálunk ezen a területen” – mondta az Indexnek Márka Szabolcs, a New York-i Columbia Egyetem kutatója, aki közel húsz éve a LIGO tagja, és a kezdeti időkben az elsők között vetette fel a többcsatornás csillagászat ötletét.

A többcsatornás asztronómia a kulcsa a kozmikus kirakójáték igazi megoldásának, hiszen így végre összeáll a teljes kép a neutroncsillagok haláláról és egy új égitest születéséről.

Raffai Péter szerint ez a LIGO-nak is óriási megerősítés, mert most már vitán felüli, hogy komoly gyakorlati haszna van, hiszen a gravitációshullám-detektorok mondták meg, hogy hol kell, hogy legyen a forrás, és ennek alapján sikerült megtalálni.

A LIGO és Virgo detektorok adatai idő-frekvencia térképen ábrázolva, időben balról jobbra haladva a GW170817 jel kezdetétől a neutroncsillagok összeolvadásáig. A hanfordi detektor adatai hangként lejátszva is hallhatók. (Forrás: LIGO/Virgo/Lovelace, Brown, Macleod, McIver, Nitz)

Maga a forrás, a két összeütköző neutroncsillag már csak azért is érdekes, mert bár ma még a középiskolában azt tanítják, hogy a Földön található nehéz kémiai elemek mind szupernóva-robbanásban keletkeznek, Raffai szerint az asztrofizikusok már egy ideje arról beszélnek, hogy a legnehezebb, vason túli elemek egy része nem így, hanem neutroncsillagok összecsattanásával jöhet létre. A földi aranyról például ezek az újabb elméletek már azt gondolták, hogy összeolvadó neutroncsillagokból származhat, de most adódott először alkalom arra, hogy ezt megfigyelésekkel is lehessen tesztelni – és bebizonyítani.

Rendkívül fontos ebben a megfigyelésben, hogy az esemény spektrumát, azaz a színképét is meg tudtuk figyelni, nem csak a fényét, és ebből már anyagi összetételre is tudunk következtetni

– mondta Frei Zsolt.

Több teleszkóp pedig az utófény színképében ténylegesen kimutatta arany és platina jelenlétét az összeolvadásból visszamaradt anyagban. Vagyis most már biztos, hogy a vason túli elemeknek nagyjából a fele neutroncsillag-összeütközésekben keletkezik, amivel egy évtizedes rejtélyt sikerült megoldani.

És még egy sor ennél is fontosabb kérdésre segít választ találni az új kutatási módszer.

Nem mindenki tudta tartani a száját

Hiába a nagy titkolózás, a tavalyi első bejelentéshez hasonlóan ezúttal is jó előre kiszivárgott több részlet a felfedezésről. A pletykák már augusztus végén lábra kaptak, olyannyira, hogy még a Nature is foglalkozott velük. Ezek alapján mindenki a szeptember végi bejelentésre várta a nagy szenzációt, amikor végül még csak a negyedik gravitációs hullám észlelését jelentették be.

Az egész azzal kezdődött, hogy egy J. Craig Wheeler nevű csillagász augusztus 18-án kiírta Twitterre: “Új LIGO. Forrás optikai megfelelővel. El fogjátok dobni az agyatokat!” (Ő néhány nappal később bocsánatot is kért.) Egy órával később egy másik csillagász, Peter Yoachim már a konkrét forrásgalaxisról szóló pletykát is megosztotta, majd később azt is elárulta, hogy összeolvadó neutroncsillagokra gyanakodnak.

Mindez már bőven elég volt ahhoz, hogy a lelkes érdeklődők nyilvános, bárki által elérhető információk alapján észrevegyék, hogy a világ több nagy távcsöve fordult egyszerre ugyanabba az irányba. A Hubble-űrtávcső Twitter-csatornájára is kikerült egy árulkodó üzenet, de azt gyorsan törölték (itt még látható a lényeg). A Chandra-röntgenteleszkóp honlapján viszont kint is maradt a bejegyzés, amely szerint augusztus 19-én megfigyelték a szóban forgó gamma-kitörést, a bőbeszédű indoklás szerint ezt “a LIGO, a Virgo, vagy mindkettő által észlelt gravitációshullám-forrás, egyetlen elektromágneses megfelelő” indokolta.

“A legrosszabb, hogy ez teljesen elvonja az emberek erejét és idejét a szakmai munkától” – mondta Raffai Péter, mikor a pletykák hatásáról kérdeztük. Szerinte sokkal jobban jár mindenki, ha a kutatók zavartalanul végigvihetik a munkát, hogy mindenre legyen szilárd bizonyíték, és akkor már úgy lehet kiállni a sztorival, hogy minden részlete ellenőrzött és igazolt, a viták és a változtatások lezajlottak. Másrészt sok ember kemény munkája van benne az eredményekben, az egy ünnepi pillanat, amikor kiállhatnak elmondani, mit találtak, ezért nem is tisztességes velük szemben a spoilerezés.

III. A gravitációshullám-kozmológia hajnala

Október 16-án, a bejelentéssel együtt a kollaboráció kiadta a felfedezésről szóló főcikkét, de egy rakás másik cikken is dolgoznak, amelyek nagy része szintén ekkor ömlik rá a tudományos közvéleményre, néhány másik pedig később jelenik majd meg. Ezekből pedig kirajzolódik, hogy még egy korszak kezdődött el a többcsatornás csillagászat mellett:

az új felfedezéssel a gravitációshullám-kozmológia korába léptünk.

A világegyetem kialakulásával és működésével foglalkozó kozmológia egyik alapvetése, hogy az ősrobbanással az univerzum tágulni kezdett, ennek a ma is tartó folyamatnak az ütemét pedig a Hubble-állandóval szokás leírni. Tavaly viszont kiderült, hogy ezzel van egy komoly probléma: az elektromágneses megfigyelésekből két különböző érték jön ki rá. Más eredményt kapunk, ha az ősrobbanás utáni időkből hátramaradt és az egész világegyetemet kitöltő kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásból indulunk ki, és mást, hogyha a szupernóvamérésekből számolunk. Az már kiderült, hogy a kettő egyszerűen összeegyeztethetetlen, és élénk vita folyik arról, kinek van igaza.

Lehet, hogy egyszerűen arról van szó, hogy nem jó a kozmológiai modellünk, és jelenleg már ez a legvalószínűbb, hogy módosítani kell a kozmológiát

– mondja Raffai Péter.

Ezért óriási tudományos jelentősége lehet, ha ebbe a vitába valaki kívülről bele tud szólni egy független mérési módszerrel, mert ezzel eldöntheti, hogy a technika rossz, vagy a kozmológiai modellünk. 1986-ban a ma is LIGO-tag Bernard Schutz állt először elő azzal az ötlettel, hogy a Hubble-állandó értékét meg lehet mérni csak gravitációshullám-jelek segítségével is, mert a fényjelekkel szemben ezek forrásának a távolsága közvetlenül megbecsülhető. Most, hogy megvan az első ilyen észlelés, végre magvalósítható ez a 31 évvel ezelőtti vízió.

Ebben a munkában pedig minden eddiginél közvetlenebbül részt vesznek a LIGO-kollaborációban dolgozó magyarországi kutatók,

elsősorban Dálya Gergely és Raffai Péter, amit szintén az általuk fejlesztett galaxiskatalógusnak köszönhetnek. A kollaboráció két cikket közöl ebben a témában, két különböző számítási módszerről, ezek közül az egyik jött ki október 16-án, de ez már utal arra, hogy majd érkezik a másik, egy hosszabb és bonyolultabb elemzés.

Az ELTE LIGO tagcsoportja. Balról jobbra: Bécsy Bence, Raffai Péter, Frei Zsolt, Dálya Gergely és Szölgyén Ákos.

Az ELTE LIGO tagcsoportja. Balról jobbra: Bécsy Bence, Raffai Péter, Frei Zsolt, Dálya Gergely és Szölgyén Ákos.

Az első módszernél figyelembe veszik azt, hogy az utófényből tudjuk, hogy melyik kellett, hogy legyen a gravitációshullám-jel forrásgalaxisa. Így ez nem tisztán gravitációs hullámos mérés, mert ugyan a hullámból becsülik meg a galaxis távolságát, de felhasználják ennek a galaxisnak a vöröseltolódását is. (A vöröseltolódás a világegyetem tágulására utaló fénytani jelenség: a távoli galaxisok által kibocsátott elektromágneses hullámok hullámhossza a galaxisok távolodása miatt növekszik, így a galaxisok színképe a vörös felé tolódik el.)

Ezzel a módszerrel maga a számolás egyszerűbb, a jelentőségét inkább az adja, hogy először találtak hozzá megfelelő gravitációs hullámot. Itt a magyarok galaxiskatalógusát egyrészt a forrásgalaxis megtalálásához használták, másrészt ahhoz, hogy pontosan kiszámolják a galaxis Hubble-állandótól független, saját távolodási sebességét.

A Hubble-állandó számítását viszont csak gravitációs hullámadatokból is el lehet végezni

– mondja a munkában résztvevő Raffai Péter.

Ezért a második számítási módhoz – amelyet a későbbi cikk fog bemutatni – már nem használják a forrásgalaxist, így egy egészen újszerű, az elektromágneses mérésektől teljesen független módszert kapnak. Ehhez viszont nem egyetlen galaxist kell vizsgálni, hanem a gravitációshullám-jel által kijelölt égterületen belüli összes galaxist. (Hiszen ezek közül azok a hagyományos módszerek segítettek kiválasztani a forrásgalaxist, amelyeket ebben a számításban ki akarnak iktatni.)

A magyar kutatók katalógusa segítségével a szóba jövő összes galaxist be lehet súlyozni, hogy melyiknél mennyire valószínű, hogy abból jött a gravitációs hullám. Ez alapján mindegyikből ki lehet számolni egy Hubble-állandó értéket, és mindegyikhez tartozik majd egy szám, hogy melyik Hubble-állandó mennyire valószínű. Ez bonyolultabb munka, így még most is dolgoznak rajta, többek között a magyar kutatók is.

Egyetlen jelből mindenesetre még nem lehet elég pontosan megállapítani a Hubble-állandó értékét, tehát ez alapján még nem sikerült eldönteni a kozmológiai vitát. A két konkurens számítás között ugyanis olyan kicsi a különbség, hogy a LIGO-sok gravitációs hullámon alapuló új számításának ennél ma még nagyobb a hibahatára. De ha jönnek majd a további jelek, szűkülni fog a hibahatár, és egy idő után már elég pontosan ki fogja jelölni, hogy mi a valós szám, tehát kinek van igaza. Ez a mostani számítás még csak egy első lépés, de annak úttörő jelentőségű.

A gravitációs hullámok észlelésében az újabb nagy dobást az jelenti majd, ha megint másfajta, eddig sose látott típusú jelet fognak a detektorok. Frei Zsolt szerint ilyen újfajta jelet több forrásból is várnak, de ezekre a LIGO még nagyon kevéssé érzékeny. Ilyen lehet például egy szupernóva-robbanásból származó, felvillanásszerű jel; esetleg lehet kontinuumhullám, ami sokáig megmarad, például egy aszimmetrikus neutroncsillag, ami nem teljesen gömbszerű, ezért az önálló pörgése is hullámokat kelt. “Vagy esetleg elérhet a LIGO érzékenysége odáig, hogy a sztochasztikus hátteret, tehát az ősrobbanásból származó háttérzajt gravitációs hullámban meglássuk."

Na és mi lesz mindennek a gyakorlati haszna?

Egyszer egy interjúban azt kérdezték tőlem, hogy ettől hogyan lesz olcsóbb a kenyér. Miért, a Mona Lisától hogy lett olcsóbb?

"Nem jobb a világ attól, hogy van Mona Lisa? Nem ez az emberi mivoltunk lényege, hogy ilyen dolgokkal foglalkozunk, és hogy van egyetlen faj az egész világegyetemben, ami erre biztosan képes?" – mondja Raffai.

Jelenleg mindhárom gravitációshullám-detektor pihen, zajlik a továbbfejlesztésük és a felkészítésük a 2018 őszén induló harmadik megfigyelési időszakra, így most több mint egy évig nem várható nagyobb fejlemény a gravitációshullám-kutatásban – legalább jut idő megemészteni az eddig elért áttöréseket.

A LIGO részéről az Eötvös Gravity Research Group (EGRG) vesz részt a munkában, amely a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetemen működik, 2007 óta az LSC tagja. A csoport vezetője Frei Zsolt, az adatelemző munkát Raffai Péter vezeti. A csoport tagjai még Bécsy Bence, Dálya Gergely és Szölgyén Ákos. A csoport az LSC valamennyi tevékenységi köréhez nyújt hozzájárulást.

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja 2010-től tagja az együttműködésnek a Virgo oldaláról, Vasúth Mátyás vezetésével. A Szegedi Tudományegyetemen 2014 óta működik önálló LIGO-csoport az ELTE-csoportból kiváló Gergely Árpád László vezetésével.

Nem magyarországi csoportban, de már a kezdetektől az LSC kötelékében dolgozik a New York-i Columbia Egyetem LIGO-csoportját vezető Márka Szabolcs, illetve Márka Zsuzsanna. Harmadik magyarként szintén évekig a Columbián kutatott Bartos Imre, aki ma már a Floridai Egyetemen dolgozik a kollaborációban. Mindhárman hozzájárultak a LIGO munkájának megalapozásához, és a jelenlegi eredményekben is fontos szerepet játszottak.

(Borítókép: Művészi fantáziarajz a két neutroncsillag összeolvadásáról. Forrás: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonet)