Új szakaszába lép a gravitációs hullámok vadászata

2021. november 08. – 04:59

Új szakaszába lép a gravitációs hullámok vadászata
A LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés által észlelt gravitációs hullámok forrásai az egyes megfigyelési időszakok során – Forrás: OzGrav, Swinburne University of Technology / Carl Knox

Másolás

Vágólapra másolva

A LIGO-Virgo-KAGRA Kollaboráció közzétette a fekete lyukak és neutroncsillagok összeolvadásainak eddigi legnagyobb katalógusát. Az ilyen eseményekből származó gravitációs hullámokból a nemzetközi kutatói együttműködés tagjai, köztük magyar kutatókkal, 35 új gravitációs hullámot észleltek a legutóbbi megfigyelési időszakban. Ezzel már 90-re nőtt az észlelt gravitációshullám-jelek száma. 2022 második felében kezdődhet az újabb, negyedik megfigyelési időszak, az eddigi három helyett már négy detektorral – derül ki az együttműködésben részt vevő ELTE LIGO-tagcsoportjának hétfői közleményéből.

Gyorstalpaló: miről is van itt szó?

Az utóbbi évek egyik legjelentősebb tudományos projektje a gravitációs hullámok vadászata. Az első hullámot 2015-ben sikerült azonosítani, ez a 2016-os bejelentéskor olyan tudományos szenzáció volt, hogy szokatlan módon már a következő évben Nobel-díjat ért, és a kutatók teljesen új eszközt nyertek az univerzum megismeréséhez.

A gravitációs hullámok fodrozódások a téridő szövetén: a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai, amelyeket gyorsan mozgó, hatalmas tömegek hoznak létre. Többféleképpen keletkezhetnek, eddig leginkább két fekete lyuk összeolvadásából származókat sikerült megfigyelni, de észleltek már olyat is, amely neutroncsillagok ütközésekor jött létre – ez utóbbi, a 2017-es felfedezés is tudományos mérföldkőnek számított, mert a segítségével a többcsatornás csillagászat korszakába léptünk. Erről, illetve a gravitációs hullámok működéséről és jelentőségéről itt olvashatnak részletesebben.

Maga a terület persze sok évtizedes múltra tekint vissza – a 2016-os felfedezés Albert Einstein 1916-os elméletét igazolta –, de csak az utóbbi években, több száz tudós és rengeteg pénz segítségével sikerült kellőképpen érzékeny műszereket építeni a hullámjelek észleléséhez: a két amerikai LIGO-, az olaszországi Virgo- és legutóbb a japán KAGRA-detektort. Ezek úgynevezett lézer interferométerek: több kilométeres vákuumcsövek L alakban elhelyezve, amelyekben egy-egy lézersugár cikázik oda-vissza, tükrök között. Ezek a sugarak a vonalzók a hullámok észleléséhez: mivel a fotonjaik fénysebessége állandó, ha a szokásosnál mégis hosszabb vagy rövidebb idő alatt érnek célba, abból tudható, hogy a téridő átmenetileg megnyúlt vagy összehúzódott, azaz áthaladt egy gravitációs hullám. Minél több detektor észlel egy jelet, annál pontosabban meghatározható, hogy az honnan érkezett.

A nemzetközi kollaborációban magyar kutatók is részt vesznek, az ELTE-n és az SZTE-n egy-egy LIGO-tagcsoport működik, a Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai pedig a Virgo-csoport tagjai.

Egyre többet tudunk meg a csillagok fejlődéséről

A katalógus 2019 novembere és 2020 márciusa között megfigyelt eseményekkel bővíti a gravitációs hullámok listáját. Az észleléseket a két LIGO- és a Virgo-detektorral sikerült elérni.

A 35 észlelt jelből 32 nagy valószínűséggel fekete lyukak összeolvadásából származott. Az összeolvadt fekete lyukak változatos méretűek voltak, a legnagyobbak tömege a Napunk tömegének 90-szerese volt. Az összeolvadásokból keletkezett fekete lyukak közül több is meghaladja 100 naptömegnyi méretet, így az úgynevezett köztes tömegű fekete lyukak közé sorolhatók. Az asztrofizikusok elméleti szinten már régóta foglalkoznak ezzel a típussal, de kísérleti bizonyíték csak a gravitációs hullámoknak köszönhetően született a létezésére.

A legújabb észlelések megerősítik, hogy a fekete lyukaknak ez az új osztálya sokkal gyakoribb az univerzumban, mint korábban gondoltuk.

Az ebben az időszakban észlelt gravitációs hullámok közül kettőnek valószínűleg más forrása volt: egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összeolvadásakor keletkezhettek. Ezek igen ritka események, amelyeket csak a LIGO és a Virgo legutóbbi adatgyűjtő időszakában sikerült először megfigyelni. A két esemény közül az egyikben egy hatalmas, 33 naptömegű fekete lyuk egyesült egy nagyon kicsi, mindössze 1,17 naptömegű neutroncsillaggal. Ez az egyik legkisebb tömegű neutroncsillag, amelyet valaha észleltek gravitációs vagy akár elektromágneses hullámok segítségével.

A fekete lyukak és a neutroncsillagok tömege kulcsfontosságú támpontot ad arról, hogy a nagy tömegű csillagok hogyan fejlődnek, illetve hogyan pusztulnak el szupernóva-robbanásokban. A felfedezésekkel most kezdjük csak látni a fekete lyukak és a neutroncsillagok sokféleségét. A legújabb eredmények azt bizonyítják, hogy ilyen kettősök sokféle méretben és párosításban léteznek. Megoldódott néhány régóta fennálló rejtély, de eközben újak is felmerültek. A megfigyelések segítségével a kutatók közelebb kerültek ahhoz, hogy megfejtsék a csillagok fejlődésével kapcsolatos kérdéseket – olvasható az ELTE közleményében.

A gravitációs hullámok átírhatják a korábbi elméleteket

A katalógusban szereplő gravitációs hullámok egyike két olyan objektum összeolvadásából származott, amelyek közül az egyik szinte biztosan fekete lyuk volt (a tömege 24 naptömeg), a másik viszont vagy egy extrém könnyű fekete lyuk, vagy egy nagyon nehéz, 2,8 naptömegű neutroncsillag. A kutatók arra következtettek, hogy valószínűleg fekete lyukról van szó, de nem lehetnek teljesen biztosak ebben.

Hasonló kérdéses eseményt fedezett fel a LIGO és a Virgo 2019 augusztusában is. A kisebb objektum tömege mindkét esetben rejtélyes, mivel a szakemberek szerint a legnagyobb tömeg, amelyet egy neutroncsillag elérhet még azelőtt, hogy fekete lyukká omlana össze, körülbelül a Napunk tömegének 2,5-szerese. Ugyanakkor hagyományos elektromágneses megfigyelésekkel eddig még nem fedeztek fel olyan fekete lyukat sem, amely 5 naptömegnél kisebb lett volna. Ez korábban olyan elméletek kiindulópontja volt, amelyek szerint a csillagok ebben a tömegtartományban nem omlanak össze fekete lyukakká.

Az új gravitációshullám-megfigyelések azt jelzik, hogy ezeket az elméleteket vélhetően felül kell vizsgálni.

A gravitációs hullámok kutatásának a kozmológia terén is nagy jelentősége van: az univerzum ősrobbanás óta tartó tágulásának ütemét a Hubble-állandóval szokás leírni, és a most közzétett katalógus ennek a pontosabb meghatározását is segítette, amiben az ELTE kutatói is részt vettek.

Új típusú jelek is rejtőzhetnek az adatokban

A gravitációs hullámok első, 2015-ös észlelése óta a megfigyelések száma robbanásszerűen emelkedik, mert a detektorok érzékenysége folyamatosan javul, többek között a megnövelt lézerteljesítmény és egy technológiai újítás, a préselt fény alkalmazásának köszönhetően. A harmadik megfigyelési időszakra az észlelések mindennapossá váltak: átlagosan heti rendszerességűek, de előfordul, hogy egyetlen nap alatt több eseményt is megfigyelnek a kutatók. Ahogy az észlelésének száma növekszik, az adatkiértékelő technikákat is fejlesztik, hogy az eredmények minél pontosabbak és megbízhatóbbak legyenek.

A harmadik megfigyelési időszak egyik jelentős vívmánya volt, hogy a kutatók már az észleléseket követő percekben nyilvános riasztást küldtek a világ más obszervatóriumainak és detektorainak. Így a neutrínódetektorok és a fényt észlelő távcsövek hálózata arra a területre tudott fókuszálni, ahonnan a gravitációs hullámok érkeztek. A gravitációshullám-jelek elektromágneses és neutrínó megfelelői ritkák, és megtalálni is rendkívül nagy kihívás őket, ezért a gyors riasztás óriási előnyt jelent. Az újonnan bejelentett gravitációs hullámok egyikéhez sem találtak elektromágneses vagy neutrínó megfelelőt, az egyedüli ilyen forrás továbbra is a 2017-es neutroncsillag-összeolvadás.

A LIGO és a Virgo detektorai jelenleg fejlesztéseken mennek át a közelgő negyedik megfigyelési időszak előtt, amely várhatóan 2022 második felében kezdődhet el. Ehhez az időszakhoz már a japán KAGRA-obszervatórium is csatlakozni fog. A mélyen egy hegy alatt található KAGRA 2020-ban sikeresen teljesítette első megfigyelési időszakát, azonban még nem csatlakozott a LIGO és a Virgo közös megfigyeléseihez. Több detektorral az események égi pozíciójának meghatározása is pontosabb lesz.

Ahogy egyre több megerősített észlelés kerül a LIGO-Virgo-KAGRA gravitációshullám-katalógusba, a kutatók egyre többet tudnak meg ezekről a csillagászati jelenségekről. A következő megfigyelési időszak előtt a meglévő adatok további elemzésével még több információhoz fognak jutni a neutroncsillagokról és a fekete lyukakról, emellett az ELTE kutatóinak közleménye szerint akár az adatsorokban rejtőző új típusú jelek felfedezésére is van még esély.