Az univerzum óriási, és korántsem nevezhető csendesnek. Változatos forrásoktól hangos, és ezek alatt ott húzódnak különféle háttérzörejek is. Ezek egyikéről, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásról már régóta tudnak a szakértők. Ez a minden irányból észlelhető sugárzás abból az időszakból származik, amikor a világegyetem az ősrobbanás után 380 ezer évvel átjárhatóvá vált a fotonok számára. Ennek az első fénynek az azóta jelentősen eltolódott emléke a mikrohullámú sugárzás. A gravitációshullám-háttérzörej egy másik típusú háttérzaj, amelynek létét évtizedekkel ezelőtt megjósolták, és most úgy tűnik, sikerült megerősíteni létezését.
Röviden összefoglalva az elmúlt napok izgalmas fejleményeit, egy csillagászcsoport bejelentette, hogy a Tejútrendszerben elszórtan található több tucat pulzár segítségével meggyőző bizonyítékokat találtak az Univerzumot átható, gravitációs hullámok alkotta háttérzajra. Ezeknek a hullámoknak a forrása egyelőre nem teljesen biztos, de valószínűleg több ezer párnyi gigantikus fekete lyuktól erednek, amelyek egymás felé zuhannak, katasztrofális összeolvadásukban pedig óriási mennyiségű energia szabadul fel. Az esemény során ráadásul jelentős gravitációs hullámokat is keltenek a téridő szövetében.
A téridő hullámai
A gravitációs hullámok a szó szoros értelmében megnyújtják és összehúzzák a teret. Ha a téridőre olyan szövetként gondolunk, amelybe minden bele van ágyazva, ebben felgyorsulva bármely tömeggel rendelkező objektum olyan fodrozódásokat hoz létre, mint amilyeneket egy tó felszínén látunk, ha beledobunk egy követ. Amikor egy ilyen gravitációs hullám áthalad egy térrészen, az kis mértékben összehúzódik, majd kitágul. Ezek a hullámok általában nagyon gyengék, és rendkívül nagy sebességre felgyorsult, rendkívül nagy tömegű objektumokra van szükség ahhoz, hogy érzékelhető hullámok keltsenek. Itt jönnek be a képbe a fekete lyukak.
A fekete lyukak óriási tömegűek lehetnek, „csillagtömegű” képviselőik a Nap tömegének többszörösét is kitehetik. Rendkívül erős gravitációval is rendelkeznek, így egy másik fekete lyuk gravitációja is erősen gyorsíthatja őket. Ha két fekete lyuk szoros pályán kering egymás körül, már az összeolvadás előtt erős gravitációs hullámokat bocsátanak ki. Ezeknek a hullámoknak a keltése energiát von el a pályájuktól, így spirálisan egyre közelebb kerülnek egymáshoz, egyre gyorsabban zuhanva egymás felé. Ahogy közelednek egymáshoz, tovább gyorsulnak, és még erősebb gravitációs hullámokat bocsátanak ki.
Mire olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy majdnem összeérnek, már csaknem fénysebességgel mozognak, végül pedig összeolvadnak egyetlen, nagyobb tömegű fekete lyukká.
A Nap tömegének néhányszorosát vagy néhány tucatszorosát kitevő fekete lyukak esetében ezek a gravitációs hullámok nagyon rövid hullámhosszúak, vagyis nagy frekvenciájúak. Észlelésükhöz a Földön olyan obszervatóriumokat építettek a szakértők, mint a LIGO, amelyek néhány kilométeres méretekben képesek érzékelni a téridő nyúlásait és rövidüléseit. A koncepció működik, az elmúlt években több tucatnyi csillagtömegű fekete lyuk összeolvadását észlelték a kutatók, ami óriási eredmény, hiszen egészen új módját jelenti a kozmosz tanulmányozásának, amelyet korábban csak az elektromágneses tartományban, különböző hullámhosszú fények útján tudtunk megtenni.
Szupernehéz duók
De mi van akkor, ha a fekete lyukak ennél sokkal nagyobbak? Ilyen gigászok legjobb tudomásunk szerint minden nagy galaxis középpontjában megtalálhatók. Tömegük több milliószorosa vagy milliárdszorosa a Nap tömegének. Ezeket a szupernehéz fekete lyukakat már olyan galaxisokban is megfigyelték, amelyeket nagy távolságuk miatt az ősrobbanás utáni 1 milliárd éves állapotukban látunk. Létezésük rejtély, hiszen nem tudni, hogy az univerzum ennyire fiatal korában hogyan nőhettek ekkorára.
A szakértők tudják, hogy galaxisok időnként összeütköznek. A Tejútrendszer is azért lett ilyen nagy, mert sok kisebb galaxist bekebelezett. Ha egy olyan galaxis, mint a miénk, összeütközne és összeolvadna egy másik nagy galaxissal, a két központi szupernehéz fekete lyuk egymás körüli pályára kerülhetne, és lassan egymás felé zuhannának. A fizikusok azonban nagyon bizonytalanok, hogy mi történne egy ilyen találkozás során.
A jelenlegi modellek szerint ugyanis amikor néhány fényévre jutnának egymástól, megállna a közeledés. Ez viszont még az előtt van, hogy elég erős gravitációs hullámokat tudnának kibocsátani ahhoz, hogy tovább zsugorodjon a pályájuk, és végül összeolvadnának. Ezt hívják a szakértők az utolsó parszek problémájának (egy parszek 3,26 fényév), amelyről feltételezik, hogy valahogy mégis leküzdhető. Összeolvadások nélkül ugyanis nehezen érthető, hogyan válnak a szupernehéz fekete lyukak szupernehézzé. Van néhány ötlet, hogyan hidalható át az utolsó parszek, de mindez szigorúan teoretikus, kettős szupernehéz fekete lyukat ugyanis még senki sem látott.
De ha valóban léteznek ilyenek, akkor keringés közben gravitációs hullámokat keltenek. Mivel a pályaidők ilyen esetben egy földi évig vagy még tovább is tarthatnak, az általuk kibocsátott hullámok hullámhossza egy fényévnyi vagy hosszabb lesz. A frekvenciát tekintve ezt a hertz milliárdod részeiben mérnénk, ami rendkívül alacsony frekvenciát jelent.
Az Univerzumban több százezer, ha nem millió ilyen kettős szupernehéz fekete lyuk lehet szétszórva. Ha valóban léteznek, az általuk keltett gravitációs hullámok együttesen egyfajta háttérzörejt hoznak a téridő szövetében, olyan zsongást, amely a keringési periódusoktól függően változó hangmagasságú, monoton hangokból állna össze. Ez az a háttérzaj, amelynek létét évtizedekkel ezelőtt megjósolták, megtalálni azonban nem sikerült, egészen mostanáig.
Szupersűrű detektorok
Az ilyen hullámok megfigyeléséhez hihetetlenül érzékeny detektorra lenne szükség, mert a hullámok gyengék, ráadásul hatalmas méretűnek is kellene lennie, mert a hullámhegyek fényévekre vannak egymástól. Ilyen léptékben pedig egyelőre nem tudunk semmit sem építeni. De nincs is rá szükség, a természet ugyanis megtette helyettünk.
A neutroncsillagok szupernóvaként felrobbant hatalmas csillagok szupersűrű, összeomlott magjai. A csillagok magjának összeomlásakor akkor keletkezik neutroncsillag, ha tömeg nem éri el a Nap tömegének háromszorosát, efelett pedig más fekete lyuk képződik. A neutroncsillagok egy része rendkívül gyorsan forog, általában másodpercek alatt megfordul a saját tengelye körül, és hihetetlenül erős mágneses mezővel rendelkezik. Ahogy forognak, a világítótornyokhoz hasonlóan energianyalábokat bocsátanak ki, amelyek végigsöpörnek az űrön. A Földről ezeket felvillanásokként érzékeljük, valahányszor átsöpör rajtunk egy-egy nyaláb. Az ilyen neutroncsillagokat éppen ezért pulzároknak nevezik a szakértők.
Előfordul, hogy egy másik csillag is kering a pulzár körül. A pulzár erős gravitációja ilyenkor anyagot von el a normál csillagtól, ami spirálisan haladva belecsapódik a pulzár felszínébe. Ez felgyorsíthatja a pulzár forgását olyannyira, hogy több tucat pulzárt azonosítottak, amelyek másodpercenként több százszor fordulnak meg saját tengelyük körül. Ezek a milliszekundumos pulzárok.
Az ilyen égitestek hihetetlenül jól használhatók kozmikus időmérőkként, mert a forgásuk nagyon stabil, és rengeteg jelet küldenek ki, amit észlelni tudunk. A rádióteleszkópok segítségével elképesztő pontossággal, a másodperc milliomod részéig tudjuk mérni a felvillanások közötti időt, vagyis a csillag forgási sebességét.
De mi köze ennek az ütköző szupernehéz fekete lyukakhoz? A gravitációs hullámok kis mértékben összenyomják és megnyújtják a teret. Amikor tehát egy gravitációs hullám áthalad a pulzáron, megváltoztatja a pulzár és a Föld közötti távolságot. Ez pedig megváltoztatja az impulzusok teleszkópjainkhoz való beérkezésének idejét. Elvileg, ha ezt a változást detektálni tudjuk, akkor a gravitációs hullámokat is észlelhetjük.
Képtelen kihívás
A gyakorlatban persze ez nagyon-nagyon nehéz feladat. Rengeteg pulzárt kell vizsgálni, majd összehasonlítani az egyes felvillanások között eltelt idők változásait az összes többi pulzár hasonló változásaival. Ez önmagában is hihetetlenül nagy kihívás, és rengeteg zajforrás és egyéb hatás van, amelyeket a csillagászoknak kompenzálniuk kell ahhoz, hogy ezeket a parányi változásokat meg lehessen figyelni. Ezt a gigantikus feladatot oldották meg sikerrel a NANOGrav szakértői.
Az Észak-amerikai Nanohertz Obszervatórium a gravitációs hullámokért, vagyis NANOGrav, egy 70 intézményből 190 kutatóból álló konzorcium, amely azt tűzte ki feladatként, hogy pulzáridőzítési varianciákat detektálja. Az elmúlt 15 évben hatalmas rádióteleszkópok segítségével (Green Bank Teleszkóp, Arecibo Teleszkóp, Very Large Array) 68 különböző milliszekundumos pulzárt figyeltek meg. Mindegyiket nagyjából havonta egyszer vizsgálták adott ideig, hogy a lehető legpontosabban meghatározzák a felvillanások periódusát.
Az évek során adataikat más csillagászok számára is elérhetővé tették. Legutóbb körülbelül három évvel ezelőtt tették közzé az észlelési adatokat, és már ezekben, amelyek kevesebb mint 50 pulzárt tartalmaznak, látszott, hogy lehet valami háttérzörej, amely esetleg a gravitációs hullámoknak tulajdonítható. Az adatok azonban ekkor még túl zajosak voltak ahhoz, hogy biztosan lehessen állítani ezt.
Azóta további 21 pulzárral bővült a sor, olyanokkal, amelyeket újonnan fedeztek fel az vizsgálatok során, és ezeket is több éven át figyelték, így a teljes pulzárszám 68-ra emelkedett. Ez a pedig már kellően megerősítette a megfigyeléseket. Amit háttérzajként találtak, nagyon hasonlít a gravitációs hullámok várt jelére!
Statisztikailag 99%-nál nagyobb a valószínűsége annak, hogy a jel valódi, és nem véletlenszerű az eredmény.
Ez nagyon jónak számít, de a szakértők általában 99,99994%-os bizonyosságú (öt szigmás) észlelést tartanak az etalonnak, amikor egy-egy felfedezést bejelentenek. A NANOGrav csillagászai ennek megfelelően óvatosan fogalmaztak, hogy ez még nem maga a felfedezés, de nagyon erős bizonyíték háttérzörej létezése mellett.
Távolra mutató következmények
Az eredmény így is nagyon nagy jelentőségű, hiszen nagyon fontos lépést jelent a gravitációs háttérzörej igazolt észlelése felé. Ami pedig azért fontos, mert egyrészt ez az általános relativitáselmélet azon kevés kozmológiai jóslatainak egyike, amelyet még nem sikerült megfigyeléssel igazolni. A gravitációs hullámok létezése is az általános relativitáselmélet egyik jóslata volt, amelyet a LIGO csapata igazolt végül, amikor 2016-ban bejelentették az első ilyen hullámok alapján észlelt feketelyuk-összeolvadást. A háttérzörej kimutatása még ennél is nehezebb feladat.
Az észlelt, valószínűsített háttérzörej frekvenciája 2–10 nanoHertz közötti, amit olyan szupernehéz fekete lyukak esetében várnának a kutatók, amelyek nagyon közel, nagyjából egy tized és egy század fényév közötti távolságra vannak egymástól. Ilyen szoros kettős szupernehéz fekete lyukakat pedig eddig még sosem észlelt senki.
Ha ez az észlelés megállja a helyét, az azt mutatja, hogy a természet tényleg megoldotta az utolsó parszek problémáját – már csak rá kellene jönnünk, hogy hogyan.
Másrészt, ha a háttérzörej valós, akkor a felfedezése csak a kezdetet jelenti. További megfigyelések, más obszervatóriumok és még több pulzár segítségével a jelet egyre tisztábban láthatjuk majd. És ahogy egyre részletgazdagabb lesz a jel, egyre több dolog derülhet ki arról, hogyan viselkednek ezek a fekete lyukak, esetleg hogyan nőttek ilyen gyorsan ennyire nagyra, és még méreteloszlásukat is megismerhetjük. Ezek pedig mind kulcsfontosságú lépések az univerzum működésének jobb megértéséhez.
Persze más magyarázatok is vannak a most észlelt jelekre, de ezek mindegyike meglehetősen egzotikus fizikát feltételez. Egy teória szerint például, amikor az univerzum kora a másodperc töredéke volt, egy gyors felfúvódáson időszakon ment keresztül, amely alatt gyorsabban tágult, mint a fénysebesség. Amikor ez a felfúvódás lelassult, gravitációs hullámokat indíthatott útjukra, amelyek az idővel csillapultak, így hozva létre a háttérzajt. Bármilyen furán is hangzik, ez az elmélet a legkevésbé bizarr a többi ötlet közül, amelyet a csillagászok teszteltek. Ezek közül több szintén illik a látott adatokhoz, de eléggé elrugaszkodottak, főleg, hogy közben tudjuk, hogy szupernehéz fekete lyukak léteznek, és elég gyakoriak ahhoz, hogy létrehozzák a zörejt.
***
Még egy érdekesség: két szupernehéz fekete lyuk összeolvadása a legnagyobb és leghevesebb események egyike az univerzumban. A két fekete lyuk tömegének egy része energiává alakul át a gravitációs hullámok formájában, és ez óriási energiamennyiséget jelent: több százmilliószorosa az egész univerzum összes csillaga által együttesen kisugárzott energiának. Elképesztő, hogy ezek a hatalmas energiakitörések olyan halk morajlássá „halkultak”, hogy ennyire nehéz megfigyelni őket, az erre alkalmas megfigyelési módszer, a pulzárok detektorokként való használata pedig zseniális ötlet volt. És ahogy már említettük, a munka még messze nem ért véget, sőt, ha minden jól megy, a java még csak most kezdődik. Az univerzum hatalmas, és tele lehet ezekkel az óriás párosokkal. És végre eljött az ideje, hogy közelebbről is megismerjük őket.
