1. oldal

A LIGO együttműködés kutatói bejelentették, hogy 2015 szeptembere óta most a harmadik alkalommal detektáltak olyan gravitációs hullámokat, amelyeket minden bizonnyal két fekete lyuk összeolvadása keltett. Ezzel ismét megerősítették, hogy a gravitációshullám-csillagászat több mint egyszerű érdekesség, és valóban olyan, az elektromágneses hullámok megfigyelésétől gyökeresen eltérő ablakot nyit a kozmoszra, amelyen keresztül egészen újfajta módszerekkel vizsgálhatjuk az univerzumot.

A legújabb észlelés során két 3 milliárd fényévnyire található fekete lyuk egyesülését figyelték meg a téridő hullámai révén a kutatók. A két égitest 31,3, illetve 19,4 naptömegű volt, és együttesen egy 48,7 naptömegű fekete lyukat hoztak létre. Ha a kiinduló tömegeket összeadjuk, világossá válik, hogy két naptömegnyi anyag hiányzik: ez az, ami energiává alakult, hullámokat keltve a téridő szövetében.

A gravitációs hullámok létezését elsőként Albert Einstein általános relativitáselmélete jelezte előre 1918-ban, és a kutatók egy ideje már elég biztosak voltak abban, hogy a téridő hullámszerűen terjedő egyenetlenségei valóban léteznek. Az elmélet értelmében az égitestek (és általában minden tömeg) torzítják környezetükben a téridőt, és ha két nehéz égitest gyorsulni kezd, például két fekete lyuk összeolvadása előtt, az esemény során koncentrikus körökben terjedő, nagyméretű gravitációs hullámok indulnak útjukra. Ezeket pedig elviekben egy nagyon távoli megfigyelő észlelni is tudja, ha képes a téridő apró összehúzódásainak és tágulásainak detektálására.

A gravitációs hullámok létét 1974-ben közvetett módon sikerült igazolni, közvetlen észlelésükre azonban először csak 2015 szeptemberében, másodszor pedig ugyanezen év decemberében került sor. A hullámokat a LIGO együttműködés detektálta az említett alkalmakkor és most is. A LIGO két lézer interferométerből áll, amelyek 3000 kilométerre vannak egymástól. Mindkét detektor két egymásra merőleges, 4 kilométeres karból áll, amelyeken egy lézernyaláb kétfelé bontott fénye fut végig. Ezek többször visszaverődnek a karok végein elhelyezett tükrökről, mielőtt újra egyesülnek.

A nyalábok útjának hosszát úgy határozták meg, hogy ha a téridő nem változik, azok pontosan ellentétes hullámfázisban egyesülnek, így kioltják egymást. Ha viszont gravitációs hullámok haladnak végig a karokon, azok hossza megváltozik, így a nyalábok nem oltják ki egymást, és a fénydetektorra a hullámok erejével arányos intenzitású fényjel esik. A két detektor egymástól való távolságának köszönhetően pedig az észlelések időkülönbségéből az is megállapítható, hogy honnan származnak a hullámok. A detektorok olyan érzékenyek, hogy a proton átmérőjénél kisebb hosszváltozásokat is érzékelni tudnak.

A harmadik észlelésre 2017. január 4-én került sor: délelőtt 10 óra után nem sokkal gravitációs hullámok haladtak keresztül a washingtoni, majd 3 ezredmásodperccel később a louisianai detektoron. A jel konzisztens volt azzal, amit az egymás felé spirálisan közeledő és gyorsuló fekete lyukaktól vártak a szakértők, vagyis frekvenciája gyorsan növekedett. A jel maga első pillantásra talán nem látszik túl bonyolultnak, de alapos elemzéséből megállapítható, hogy mekkora égitestek keltették, ezek milyen messze voltak a Földtől, és az is, hogy milyen gyorsan olvadtak össze.

Az esemény során két naptömegnyi tömeg alakult át energiává, ami azt jelenti, hogy a másodperc töredéke alatt kétezerszer annyi energia szabadult fel, mint amennyit a Nap teljes élettartama alatt kisugároz. Ez egyébként egyenértékű teljes világegyetem átlagos energiakibocsátásával is, vagyis az összeolvadás pillanatában a két fekete lyuk annyi energiát bocsátott ki, mint amennyit az egész univerzum szokott ugyanennyi idő alatt. Óriási, felfoghatatlan energiákról van tehát szó, mire azonban a hullámok elérték a Földet, alig észlelhető fodrozódássá szelídültek. A fekete lyukak közelében azonban ez volt az adott pillanat legnagyobb energiájú eseménye az egész világegyetemben.

2. oldal

Az új észlelés új információkat hozott az egyesülő fekete lyukak viselkedésével kapcsolatban is. A csillagászok felfedezésük óta próbálják megérteni, hogyan kerülhetnek a fekete lyukak annyira közel egymáshoz, hogy összeolvadjanak, ha egyszer ezt korábbi fejlődési szakaszaikban nem tették meg. A LIGO csapat, amelynek tagjai az első két észlelés nyomán arra jutottak, hogy a hasonló egyesülések meglehetősen gyakoriak lehetnek az univerzumban, két elméletet vázolt fel a furcsa helyzet kialakulásával kapcsolatban.

A másik, újabb teória egy eleve szoros kettősből indul ki. Ebben az esetben két hasonló tömegű és összetételű csillag formálódik egymáshoz nagyon közel, és ezek nagyon nagy sebességgel keringenek egymás körül. Az égitestek annyira közel vannak egymáshoz, hogy kötött keringésűvé válnak, vagyis mindig ugyanazon oldalukat fordítva egymás felé pontosan ugyanannyi idő alatt fordulnak meg egyszer saját tengelyük körül, mint amennyi időbe alatt megkerülik egymást. Ez a fajta forgás homogenizálja teljes anyagukat, így amikor kifogynak a hidrogénből teljes kiterjedésükben nehezebb elemek kezdenek létrejönni. A szuperóriássá való felfúvódás ezért elmarad, és az égitestek fekete lyukká omlanak össze. A két óriási sűrűségűvé alakult objektum pályájának stabilitása megszűnik, és elkezdenek egymás felé zuhanni, majd egyesülnek.

Elméletileg mindkét folyamat magyarázatot adhat az ütköző fekete lyukak gyakoriságára a világegyetemben, de a szakértők eddig úgy vélték, hogy a kettő közül valamelyik lehet a domináns, vagyis az összeolvadó fekete lyukak többsége a két vázolt folyamat közül az egyikből származik. Az fekete lyukak összeolvadásának eddigi megfigyelések alapján becsült gyakorisága miatt a kutatók kevésbé valószínűnek minősítettek egy harmadik teóriát, amely szerint az ütköző fekete lyukak egy csillaghalmaz különböző vidékein keletkeznek. Ezen elmélet szerint a fekete lyukká vált csillagok idővel a csillaghalmazok közepére vándorolnak, ahol egymással találkozva ütköznek.

A mostani megfigyelés visszahozhatja ezt a korábban leértékelt elméletet a vitába, az észlelt jel minősége alapján ugyanis úgy tűnik, hogy a két fekete lyuk forgástengelye nem volt párhuzamos. Márpedig a modellek szerint a tengelyek mind a közös burok, mind a homogénné fejlődés esetében igazodnak egymáshoz. A januárban észlelt fekete lyukak eredetét tehát a három teória közül legjobban a harmadik, az úgynevezett dinamikus formálódás magyarázza meg, amely szerint az égitestek nem együtt keletkeztek, hanem csak életük végső szakaszában kerültek egymás közelébe.

A forgástengelyekkel kapcsolatos megállapításokban ugyanakkor egyelőre nagyon sok a bizonytalanság, így ezekből az eredményekből nem szabad messzemenő következtetéseket levonni, mondja Daniel Holz asztrofizikus, a LIGO együttműködés tagja. De ha bebizonyosodik, hogy más egyesülő fekete lyukak is hasonlóan „rendetlenek”, az azt jelenti, hogy valami vagy nem stimmel a megállapított gyakorisági rátával, vagy esetleg a csillaghalmazok feltételezett alacsony mennyiségével van a probléma.

De persze ezen a ponton az sem zárható ki, hogy az ütköző fekete lyukak eredetére nincs dominánsan alkalmazható modell, hanem ezek a helyzetek sokféle különböző módon alakulnak ki, mondja Duncan Brown, a LIGO csapat egy másik tagja. Egy dolog azonban biztos, a kérdést csak újabb észlelésekkel és még finomabb mérésekkel lesz esély megválaszolni.