1. oldal

Amikor Albert Einstein egy évszázaddal ezelőtt megjósolta a gravitációs hullámok létezését, azt is hozzátette elméletéhez, hogy véleménye szerint ezeket sosem fogjuk tudni észlelni. Mint csütörtök délután kiderült, a fizikusnak igaza is volt, meg nem is. Ahogy arról röviden már beszámoltunk, a LIGOegyüttműködés vezetői három nappal ezelőtt bejelentették, hogy 2015. szeptember 14-én olyan gravitációs hullámokat észleltek, amelyeket két fekete lyuk összeolvadása keltett több mint egymilliárd évvel ezelőtt, először detektálva közvetlenül a téridőgörbületének hullámszerűen terjedő megávltozásait.

A gravitációs hullámok tehát nagyon is léteznek, és észlelhetők is, amit a LIGO két, egymástól 3000 kilométerre található detektora néhány hónappal ezelőtt 7 ezredmásodperces eltéréssel meg is tett. A szakértőknek pedig a sikeren felbuzdulva máris nagy terveik vannak azzal kapcsolatban, hogy hogyan segíthetnek a gravitációs hullámok a világegyetem egészen új szemszögből történő megismeréséhez.

A csillagászok reményei szerint a LIGO és máris működő, illetve fejlesztés alatt álló társai rövidesen sokkal többre is képesek lesznek annál, minthogy pusztán detektálják a téridő űrben terjedő egyenetlenségeit. Már a most bejelentett szignál is jóval több egyszerű észlelésnél, hiszen a mért hullámok alapján a kutatók meg tudták állapítani, hogy milyen fekete lyukak ütközése keltette azokat, és hogy nagyjából hol és mikor történt az esemény. Már a gravitációs hullámok első megfigyelésével is egy eddig ismeretlen feketelyuk-típus létezésére derült fény, és ez még csak a kezdet.

A következő évek során a LIGO-hoz hasonló detektorokkal nagytömegű csillagok haláltusáját és neutroncsillagok ütközését remélik megörökíteni a szakértők. De a gravitációshullám-csillagászat adhatja meg a választ arra a kérdésre is, hogy hogyan működnek a pulzároknak nevezett, gyorsan forgó neutroncsillagok, vagy hogy mi történik két szupernehéz fekete lyuk összeolvadásakor. Idővel aztán olyan érzékeny detektorok is kifejlesztésre kerülhetnek, amelyek az ősrobbanás utáni első pillanatokban keletkezett gravitációs hullámok észlelésére is alkalmasak, egy olyan időszak titkaira derítve fényt, amelyet az elektromágneses sugárzás tanulmányozása révén reményünk sem lehet megismerni.

Ami a kutatókat leginkább izgalomban tartja a gravitációs hullámok tanulmányozása kapcsán, az az ismeretlen. „Lehetséges, hogy olyan is dolgok léteznek odakint, amelyeknek távcsövekkel eddig nyomát sem láttuk?” ‒ tűnődik Janna Levin, a Columbia asztrofizikusa. A fekete lyukak ütközésének megfigyelése óriási felfedezés, de ilyen eseményekre korábban is számítottunk, folytatja a kutató. Az igazi kérdés tehát az, hogy mi lehet még odakint. Milyen titkokat rejthet a világegyetem, amelyek léte eddig fel sem merült bennünk?

„Olyan mintha eddig csak tapintani, szagolni, ízlelni és látni tudtunk volna, majd hirtelen hallani megtanultunk” ‒ mindja Márka Szabolcs, a Columbia kutatója és a LIGO együttműködés egyik tagja. „Pontosan ez történt most az emberiséggel. Mától fogva halljuk is a kozmoszt, és így azt is észlelhetjük, ami láthatatlan.”

Az első sikeres észlelés után a LIGO-projekt tagjai most arra készülnek, hogy a továbbiakban rutin csillagászati eszközként használják detektoraikat. A detektorok 4 kilométeres karokkal rendelkező lézerinterferométerek, amelyeket gyakorlatilag rendkívül érzékeny vonalzókként használnak a szakértők. Ha egy gravitációs hullám halad át az egyik érzékelőn, annak egyik karja átmenetileg hosszabb vagy rövidebb lesz, mint a másik. Rendkívül piciny torzulásról van szó persze, de a rendszer ezt is érzékelni tudja, mivel a hullám hatására megváltozik a fény adott karban megtett útjának ideje.

Ahhoz, hogy a detektor működjön, és alkalmas legyen a gravitációs hullámok észlelésére, rengeteg háttérzajt kell kiszűrni az óceán hullámzásától kezdve a környékbeli mosógépek által keltett szeizmikus rezgésekig. Olyan távolságváltozásokat próbálunk észlelni, amelyek jóval kisebbek, mint a detektorunkat felépítő egyes atomok, magyarázza Bartos Imre, a LIGO egyik kutatója, a Columbia munkatársa, aki szerint szinte hihetetlen, hogy a LIGO bármi érdemlegeset képes érzékelni a háttérzajok káoszában.

2. oldal

A legújabb fejlesztéseknek köszönhetően, a LIGO következő, szeptemberben kezdődő mérési időszakában már tízszer érzékenyebb lesz, mint amilyen 2002‒2010 között, a kísérlet első, eredménytelenül zárult szakaszában volt. A projekt költségvetése egymilliárd dollár körül jár, amelynek nagy részét az amerikai Nemzeti Tudományos Alap fedezte. Tekintve, hogy a mérések a földi körülmények között megvalósítható lehető legtökéletesebb vákuumban zajlanak, a LIGO nyugodtan nevezhető „a valaha létrehozott legdrágább semminek”, teszi hozzá Márka Szabolcs.

A következő évek során az Advanced LIGO fázis részeként egy harmadik detektor is meg fog épülni Indiában, amely az európai lézerinterferométerekkel együttesen (GEO600, Advanced VIRGO) gyorsan rutinszerűvé teheti a gravitációs hullámok észlelését. „Egy olyan rendszert hoztunk létre, amely újfajta érzékelést tesz lehetővé az emberiség számára” ‒ mondja Rana Adhikari, a Caltech fizikusa, a LIGO felújításán dolgozó csapat egyik tagja. Most már csak azt kell megtanulnunk, hogy tudjuk a lehető legügyesebben mérni a kozmosz érverését újdonsült gravitációs ujjainkkal, teszi hozzá a szakértő.

A több detektorral történő mérések egyik nagy előnye az lesz, hogy a csillagászok pontosan meg fogják tudni mondani, hogy honnan erednek az észlelt gravitációs hullámok. A most bejelentett, két érzékelőn alapuló LIGO-mérés kapcsán erre még nem volt lehetőség, így a szakértők csak egy nagyobb égterületre tudták leszűkíteni a jelek forrását. Ha viszont pontosabban is be lehet lőni egy-egy hasonló esemény helyét, az elektromágneses spektrumban vizsgálódó távcsövekkel is célba lehet majd venni azt, így még többet tudhatunk meg arról, hogy aktuálisan mi váltotta ki a téridő hullámzását.

A földi interferométerek kínálta lehetőségek ugyanakkor erősen korlátozottak, pontosan a jelentős háttérzaj miatt. A szakértők éppen ezért azt tervezik, hogy az interferométerek következő, még hosszabb karokkal rendelkező generációját már a felszín alá telepítik, így igyekezve elszigetelni a detektorokat az ember és a természet által keltett zajoktól. Egy japán bánya mélyén már jelenleg is épül egy ilyen rendszer, a Kamioka Gravitációshullám-detektor (KAGRA). Ez ugyan még nem nagyobb elődeinél, hiszen karjai „csak” 3 kilométeresek, de mivel a „vonalzó” két végét esetében rendkívüli módon lehűtött zafírtükrök alkotják majd, a 2018-ban üzembe álló detektor érzékenységben felveheti a versenyt a LIGO-val.

A KAGRA-t aztán egy ambiciózus európai projekt, az Einstein Obszervatórium követheti. Egy szintén földalatti detektorról van szó, amely a 2020-as évek végére készülhet el, ha minden a tervek szerint alakul. Ez az interferométer három darab, egyenként 10 kilométer hosszú karból fog állni, amelyek egy szabályos háromszöget formáznak. Ebben szobahőmérsékletű és kriogén lézernyalábokat is használnak majd, és az újszerű elrendezés lehetővé teszi, hogy a nagyobb hullámhosszú gravitációs hullámokat is érzékelni lehessen. Bár a projekttel kapcsolatban egyelőre nem tudni, hogy miből és hol fog elkészülni, ha a detektor egyszer működésbe lép, kettős fehér törpék, lassan forgó pulzárok és 100‒1000 naptömegű fekete lyukak észlelésére is alkalmas lehet.

Sokan csodálkoznak, hogy miért van szükség új detektorokra, most hogy megvan, amit kerestünk, mondja Harald Lück, a Max Planck Intézet kutatója, a GEO600- és az Einstein-projektek tagja. A magyarázat egyszerű: az elektromágneses sugárzáshoz hasonlóan a gravitációs hullámok is egy rendkívül széles spektrumot fognak át, amelyet egyetlen műszerrel lehetetlen érzékelni. Ahogy a távcsöveknél, a téridő hullámainak mérésénél is más-más detektorokra lesz szükség a különféle hullámhossztartomány észlelésére, és ezek közt lesznek olyanok is, amelyeket a Földről lehetetlen lesz észlelni. Idővel maga a bolygó fog határt szabni a detektorok építésének, mivel a szeizmikus zaj, a Föld görbülete és a fúrási költségek értelmetlenné teszik, hogy 50 kilométernél hosszabb karok épüljenek, folytatja Lück.

3. oldal

Egy bizonyos ponton túl tehát egyszerűbb és olcsóbb lesz a detektorokat az űrbe telepíteni, mint a Földön megküzdeni az egyre sokasodó nehézségekkel. Odafent persze már most is akadnak gravitációs hullámok észlelésére alkalmas objektumok. A rádiócsillagászok évek óta próbálják kiaknázni az óramű pontossággal, néhány ezredmásodpercenként megforduló pulzárokat a téridő fodrozódásainak közvetett észlelésére. Ezek az égitestek úgy működnek, mint egy-egy világítótorony, amelynek fénycsóvája szabályos időközönként fordul a Föld felé, ha tehát a felvillanások gyakoriságában szabálytalanság észlelhető bolygónkról, az azt jelzi, hogy a téridő szövetében van valami szokatlan. A kutatók azt remélik, hogy az ilyen pulzárok tanulmányozása révén néhány fényhónapos és fényéves hullámhosszú gravitációs hullámokat észlelhetnek, amelyek elviekben galaxisok ütközése során keletkeznek. A papíron nagyon elegánsnak és működőképesnek tűnő módszer ugyanakkor egyelőre nem hozta meg a várva várt eredményeket.

A kutatók többsége éppen ezért úgy véli, hogy a közeljövőben az űrbéli mérések véghezvitelére is a lézerinterferométerek jelenthetik a legjobb megoldást. A Föld zajától és gravitációjától távol elhelyezett, szabadon lebegő rendszerekben elviekben korlátlan hosszúságúra növelhetők a karok. A gyakorlatban persze a mérettel akadhatnak problémák, egyrészt a mérnöki megoldásokból adódóan, másrészt azért, mert az emberiség zaja egyre nagyobb térrészben észlelhető körülöttünk. Korlátlanul nagy interferométereket tehát az űrben sem lehet létrehozni, de a néhány millió kilométeres karok abszolút megvalósíthatóak lehetnek.

Az új évezred elején a NASA és az Európai Űrügynökség (ESA) már egyszer össze is fogott egy ilyen projekt megvalósítására. A Lézerinterferométer Űrantenna (LISA) egy három műholdból álló rendszer lett volna, amelyek egymástól 5 millió kilométerre helyezkednek el egy háromszögletű interferométert alkotva. Egy ekkora méretű detektor elviekben alkalmas lehet az első, 100 millió évvel az ősrobbanás után létezett szupernehéz fekete lyukak egyesülése keltette gravitációs hullámok észlelésére is.

2011-ben azonban a NASA a magas várható költségek miatt kiszállt a projektből, így az ESA kénytelen volt átdolgozni a terveket. Az új verzió szerint az eLISA(evolved LISA) háromszögletű detektora jóval kisebb lesz, csak egymillió kilométeres oldalakkal rendelkezik majd, és a 2030-as évek közepén kezd üzemelni. Tavaly decemberben az űrügynökség az eLISA előkészítéseként fellőtte az űrbe a LISA Pathfinder nevű műszert, amely néhány héten belül elfoglalja helyét a Nap‒Föld-rendszer L1 Lagrange-pontjában.

Az űreszköz márciusban kezdi meg küldetése tudományos szakaszát, amelynek célja azonban nem a gravitációs hullámok észlelése. A misszió fő feladata ehelyett annak igazolása lenne, hogy az űrjármű rakterében elhelyezett két arany-platina kocka tökéletes tehetetlenségi pályára helyezhető, és így egymáshoz képest nem mozdul el. Ezekhez hasonló kockák képezik majd ugyanis az eLISA háromszögének csúcsait. Ahhoz, hogy a leendő szondák egymáshoz képest egy helyben maradjanak, komolyan meg kell dolgozni, egyebek mellett például folyamatosan kompenzálni kell a Nap sugárnyomásából eredő erőket. Ha ezt sikerül megoldani, csak akkor válik lehetségessé, hogy a háromszög oldalainak megváltozó hosszúsága révén mérjék a gravitációs hullámokat. A LISA Pathfinder küldetése során tehát elsősorban a tökéletes tehetetlenségi pálya ellen dolgozó erők semlegesítésének módját kívánják kidolgozni a szakértők az űreszközre szerelt hat mikrofúvóka segítségével.

Más kutatók közben alternatív módszerek kidolgozásán munkálkodnak a gravitációs hullámok észlelésére, például mikroszkopikus atomfelhőket használvaa célra, amelyek egy napon feleslegessé tehetik a gigantikus interferométerek létrehozását. Akármit is hoz azonban a jövő, annyi biztos, hogy szükség lesz űrbe telepített detektorokra is, mert ahogy a földi távcsövekkel is csak korlátozottan látszanak az elektromágneses spektrum bizonyos részei, a gravitációs hullámok spektrumának egyes hullámhosszai is csak az űrből mérhetők.

A gravitációs hullámok közül a legnehezebben észlelhetők valószínűleg a legrégebbiek lesznek, ugyanakkor ezek lehetnek a legizgalmasabbak is. A téridő azon fodrozódásairól van szó, amelyek az univerzum első pillanataiból, köztük az ősrobbanás utáni hirtelen tágulás idejéből származnak. A legősibb elektromágneses sugárzás, a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás a kutatók szerint a világegyetem 380 ezer éves korából származik, ekkor vált ugyanis az univerzum átlátszóvá a fotonokból álló sugárzás számára. Ez az első fény, amelynél korábbra nem láthatunk vissza.

A gravitációs hullámok azonban már ezt megelőzően, az univerzum kezdete óta szabadon terjedtek a téridőben, vagyis egy napon lehetőségünk nyílhat arra, hogy a fény előtti időket tanulmányozzuk a kezdetek kezdetéről származó ősi hullámok halvány visszhangjait hallgatva. Erre persze a gyakorlatban vélhetően még nagyon sokáig nem fog sor kerülni, de abból kiindulva, hogy mennyi érdekességre bukkantunk rá az elmúlt évszázadok során az égbolt elektromágneses spektrumának vizsgálata közben, attól nem kell félni, hogy előttünk álló út unalmas lesz.