Másfél év alatt immáron harmadszor sikerült közvetlenül kimutatni a téridő fodrozódásait. Jelen felfedezés nyilván kisebb szenzáció, mint az úttörő jelentőségű első vagy a bizonyító erejű második detektálás, viszont sokat elárul a gravitációs hullámokat keltő összeolvadó fekete lyuk párosok gyakoriságáról. Nem mellesleg arról is, mire lehet számítani, ha a világ elsőszámú detektorai elérik a tervezett érzékenységüket.
A gravitációs hullámokról sokat lehetett hallani 2016 februárjában, amikor a LIGO detektoraival először sikerült kimutatni a már Einstein által is megjósolt jelenséget. A helyzet igen egyszerű: minden mozgó tömeg fénysebességgel terjedő hullámokat kelt a téridőben, akárcsak a tóba dobott kavics a víz felszínén. Ez a hullámtípus viszont áthaladása közben megváltoztatja két pont egymáshoz viszonyított helyzetét; vagyis, (bár nagyon rövid ideig de) széthúz és összenyom mindent, ami az útjába kerül. Minél nagyobb tömegűek a mozgó testek, annál erősebb gravitációs hullámokat keltenek és hát odakint a világűrben vannak elég nagy dolgok – így gondolhatnánk, nem lehet gond a fenti húzó-nyúzó hatást kimutatni. De bizony az: még a legnagyobb tömegű kompakt objektumok, a fekete lyukak is csak ~10-21 relatív méretváltozást tudnak létrehozni. Mintha a Nap-Föld távolság 150.000.000 km-e 0,15 nanométerrel változna meg (az mondjuk három hidrogénatom egymás mellett).
A fekete lyukak összespirálozódása és a kibocsájtott gravitációs hullámok szemléltetése (Forrás: T. Pyle/LIGO)
Ilyesmit már tudunk mérni. A LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) detektorrendszerben ugyanazon lézernyalábot osztják két részre, majd 4 km megtétele után újra egyesítik őket és ún. interferometriát hoznak létre (mint amikor két hullámfront találkozik a tóban és megnézzük, mi sül ki az összecsapásukból). Ha az egyik nyaláb hosszabb utat jár be (mert egy arra kószáló gravitációs hullám megnyújtotta az útját), akkor a lézerfény hulláma más fázisban fog a találkozóhelyre érni – így változni fog az interferometria képe is.
A LIGO detektor belsejében. (Forrás: LIGO)
A mérőberendezés(ek, mert igazából kettő is van) elrendezésének és az elméleti modelleknek köszönhetően egy rakás dolog kiokoskodható a hullámokat kiváltó feketelyuk egyesülésről. Így pl. az első detektálást kiváltó eseménynél egy 29 és egy 36 naptömegű fekete lyuk olvadt össze egy 62 naptömegűvé (a különbözet alakult át energiává és sugárzódott ki a hullámok formájában), tőlünk 1,4 milliárd fényévnyire (tehát egy viszonylag távoli galaxisban). Érdekes módon viszont az égbolton elfoglalt pozícióját, vagyis a gravitációs hullámok beérkezési nem, vagy legalábbis csak nagy bizonytalansággal ismerjük. Ezért is lehetséges, hogy a gamma-, röntgen- vagy optikai tartományban mérő teleszkópokkal nem sikerült megtalálni ugyanezen eseményt.
A detektált gravitációs hullámok becsült pozíciója az égboltra vetítve. A negyedik, LVT151012 jelű egy meg nem erősített detektálás. (Forrás: Leo Singer/LIGO/CalTech)
A mostani, GW170104 (mivel valójában január 4-én találták detektálták) névre hallgató gravitációs hullám is hasonló méretkategóriájú monstrumokból származott, egy 19 és egy 31 naptömegű feketelyukból lett egy 49-es (mindennek az átmérője csak 270 km!), mindez pedig 3 milliárd fényévnyire. Az eredeti fekete lyukak ebben a tömegtartományban tipikusan óriáscsillagok szupernóva-robbanásai után maradhattak hátra. Azonban nyitott kérdés, hogy a két csillag mindig is egy rendszert alkotott-e kettőscsillagokként, vagy csak később, haláluk (értsd, a szupernóva-robbanás után) után akadtak-e egymásra. Mivel a kettőscsillagok komponensei ugyanabból a gázfelhőből, (asztrofizikai értelemben) egyszerre keletkeznek, ezért a forgástengelyük is egy irányú – következésképp a belőlük keletkezett fekete lyukak is ugyanazon tengely körül fognak forogni (mert hát forognak, nem is kicsit). Most először azonban közvetett bizonyítékot találtak rá a LIGO-sok, hogy a GW170104 esetében ez nem így történt, a két forgástengely valószínűleg jelentősen eltért. Ez erősíti azt az elméletet, miszerint a fekete lyukak összeolvadása javarészt csillaghalmazokban történik, ahol jóval nagyobb a csillagok (és így nagytömegű csillagok (és így a feketelyukak)) sűrűsége.
A detektált gravitációs hullámok rekonstruált jelei, vízszintes tengelyen a jel időbeli hossza, látható, a hullám amplitúdója pedig a relatív méretváltozást szemlélteti. (Forrás: Ben Farr/LIGO/CalTech)
Jelen felfedezés különlegességét azonban nem csak a fizikai paraméterei adják. Hanem a statisztika: a második detektált gravitációs hullám óta ugyanis több, mint egy év telt el. Így felmerült a gyanú, hogy a LIGO kollaborációnak csak szerencséje volt a két, gyors egymás után talált jelekkel és az összeolvadó fekete lyuk párosok valójában ritkábbak, mint korábban gondolták. A GW170104 azonban mindenkit megnyugtatott, bőven van mérhető gravitációs hullámforrás. Az Advanced LIGO további fejlesztéseivel pedig már nincs messze az sem, hogy napi rendszerességgel mérhessenek ki gravitációs hullámokat.
A hanford-i LIGO detektor madártávlatból. Az egymásra merőleges két csőben futnak az lézerimpulzusok. (Forrás: LIGO/NSF)
A bejelentést közlő tudományos cikk társszerzői között szerepelnek az ELTE és az SZTE, LIGO Tudományos Együttműködés keretein belül dolgozó magyar kutatói is.