A gravitációs hullámok detektálása nem állt le, sőt, jobban pörög, mint valaha. Olyannyira, hogy a három működő detektort összefogó LIGO-Virgo kollaboráció frissen publikált katalógusában 35 új gravitációs hullámot jelentettek be, ezzel kereken ötvenre növelve a sikeres detektálások számát. Ez pedig már egy kellően szép szám ahhoz, hogy a kutatók statisztikai következtetéseket is levonhassanak belőlük. De miként ugrott meg hirtelen az ismert gravitációs hullámok száma? Nos, a felfedezések se nem most, se nem hirtelen történtek, a gravitációs hullámok vizsgálata ugyanis elég lassú folyamat – a fejlődés azonban annál dinamikusabb.
Gyorstalpaló a gravitációs hullámokról: a gravitációs hullámok a téridő tovaterjedő fodrozódásai, amelyek hatására a távolságok és ezzel együtt a méretek periodikusan megnőnek, majd lecsökkennek. Ahogy azt az általános relativitáselmélet is megjósolta, gravitációs hullámot minden tömeggel rendelkező test kelt a gyorsuló mozgása révén, ám a gyakorlatban annyira csekély mértékűek a méretváltozások (maga Einstein sem hitt benne, hogy valaha is kimutathatóak lesznek), hogy csak rendkívül nagy tömegű, kompakt objektumok esetén vagyunk képesek ezeket észrevenni: fekete lyukak és/vagy neutroncsillagok összeolvadásánál.
A fekete lyukak egymásba spirálozódása és a kibocsájtott gravitációs hullámok szemléltetése (Forrás: T. Pyle/LIGO)
Október 28-ig mindössze 15 gravitációs hullám volt ismert a nagyközönség és a szélesebb szakma körében, ebből 11-et még a 2018-ban publikált első katalógusban összegzett a LIGO/Virgo kollaboráció. Ebben szerepelt az összes addig talált gravitációs hullám és azok forrásai, köztük az elsőként felfedezett gravitációs hullám (GW150914, a számsor a detektálás dátumát jelzi), valamint az utóbbi évek talán legfontosabb eredményének számító neutroncsillag-összeolvadás (GW170817). Azóta további négyet mutattak be a nagyvilágnak, valamely szempontból mind különlegesnek számított: az első nagymértékben aszimmetrikus feketelyuk-páros (GW190412), a második detektált neutroncsillag-összeolvadás (GW190425), a neutroncsillag-fekete lyuk tömeghatáron billegő objektum (GW190814), és végül az első detektált közepes tömegű fekete lyukat eredményező összeolvadás (GW190521). Ez a kvartett már a 2019-ben kezdődött harmadik adatgyűjtési periódus termése, amelynek során a három detektor ötvenre növelte a felfedezett gravitációs hullámok számát. De honnan ez az ugrásszerű növekedés?
A LIGO-Virgo kollaboráció által eddig talált neutroncsillag- és feketelyuk-összeolvadások objektumainak tömege. (Forrás: LIGO-Virgo/Northwestern University/Frank Elavsky, Aaron Gelle & ligo.elte.hu)
Gyorstalpaló a mérőberendezésekről: az eddig felfedezett feketelyuk-összeolvadások tipikusan 10^-23-os relatív méretváltozást okoznak – ez egy kilométerre számolva egy proton átmérőjének 1/4000-ed (0.00025) része! Hogyan lehet kimutatni ilyen kicsiny változásokat? A kulcs a fény hullámtermészete. A detektor lelke egy nagy teljesítményű lézer, amelynek fényét két részre osztják, majd több km megtétele után (ez az ún. karhossz) újra egyesítik őket, és ún. interferenciamintázatot hoznak létre (mint amikor két hullámfront találkozik a tóban, és megnézzük, mi sül ki az összecsapásukból). Ha egy arra kószáló gravitációs hullám megnyújtotta az egyik nyaláb útját, akkor a lézerfény hulláma más fázisban fog a találkozóhelyre érni – így változni fog az interferometria képe is. Jelenleg négy ilyen detektor működik: kettő az Egyesült Államokban (LIGO I és II), egy Olaszországban (Virgo), idén tavasztól kedve pedig egy Japánban is (KAGRA).
A gravitációs hullámok detektálására használt interferométer vázlatos elrendezése és ugyanez nagyban: a Virgo detektor 3 km-es karhosszai. (Forrás: ScienceNews & Emelt szintű fizika érettségi 2018 / Virgo Collaboration)
2018-ban többek között új lézereket és tükröket helyeztek üzembe a mérőberendezésekben, sikerült javítani az adatfeldolgozáson és csökkenteni a karbantartások miatti leállásokat. Az új fejlesztésekkel felvértezve 2019. április 1-én kezdődött a harmadik adatgyűjtési periódus (O3), amely egy éven keresztül tartott, jelenleg pedig újabb ráncfelvarráson mennek keresztül a rendszerek. Így pedig az adatfeldolgozásnak és a tudományos analízisnek is van ideje beérni a méréseket. A detektálások ellenőrzése, feldolgozása, kiértékelése, szakmai publikációvá alakítása, végezetül pedig ez utóbbiak bírálata és elfogadása igencsak időigényes folyamat – így lehetséges, hogy a most publikált 31 gravitációs hullámról csak 1-1,5 évvel a detektálásuk után számolt be a kollaboráció.
Az újítások révén a három detektor hatótávolságát (ahonnan egy feketelyuk-összeolvadást még jó eséllyel ki tudnak mutatni) 60%-kal növelték meg. Ahogy azt a mellékelt ábra is mutatja, ez nem csak bűvészkedés a számokkal, a nagyobb érzékenység hatására sokkal gyorsabb ütemben sikerült gravitációs hullámokat detektálni; ráadásul az új katalógus még csak az O3 adatgyűjtési időszak első fél évét (2019. október 1-ig bezárólag) foglalja magába. Ezt követően ugyanis egy hónapos szünet, majd további öt hónapnyi mérés következett (volna) – sajnos ezt már felülírta a járványhelyzet, és a tervezettnél egy hónappal korábban, március végén leállt az adatgyűjtés.
A gravitációshullám-észlelések számának alakulása a működési idő függvényében, két és fél megfigyelési időszakon keresztül. (Forrás: LIGO-Virgo Collaboration & ligo.elte.hu)
Az eddigi ötven gravitációs hullám és az azokat eredményező összeolvadások azonban így is komoly statisztikai mennyiséget jelentenek. Egyebek mellett már látszik, hogy a fekete lyukak tömegeloszlása (ahol a nagyobb fekete lyukakból értelemszerűen kevesebb van) a várakozásokkal ellentétben nem egyszerű exponenciális eloszlást követ. Ez erős támpontot jelent a fekete lyukak fejlődésének kutatásában, vagyis, hogy az Univerzum története során miként változott az anyagelnyelés (szakszóval akkréció) és az összeolvadások jelentősége a fekete lyukak növekedésében. Hasonlóan a kettős rendszerek fizikai paramétereinek vizsgálataiban is új lehetőségek nyíltak, így például azoknál az összeolvadó fekete lyukaknál, amelyek forgása nem merőleges a keringésük síkjára. Következésképp ezek a feketelyuk-párosok nem magyarázhatóak kettőscsillagok végállapotaival, ám eredetük esetleg visszavezethető egy sűrű csillagpopuláció (pl. gömbhalmaz) tagjaira.
A GWTC-2 katalógusban szereplő 50 kettős rendszer keringésének szemléltetése. (Forrás: LIGO-Virgo Collaboration/Zoheyr Doctor)
Az eredeti tervek alapján a LIGO-Virgo detektorok az újabb fejlesztéseket követően 2021 őszén állnak majd ismételten munkába, ám ahogy manapság oly sok minden, úgy valószínűleg az O4 mérési periódus is csúszni fog. Ekkora már az idén induló, ám még csak közeli forrásokra “lövő” japán KAGRA detektor is fel fogja tudni venni a versenyt érzékenység tekintetében a korábban induló detektorokkal. Fontos azonban aláhúzni, hogy a gravitációs hullámok kutatásában egyáltalán nem rivalizálásról, hanem közös munkáról van szó: a több detektor folytonos mérést, egyértelműbb detektálást és precízebb helymeghatározást is jelent.
A gravitációshullám-detektorok működési ideje és érzékenysége az eddigi és tervezett megfigyelési időszakok során. A számadatok az effektív távolsághatárokat mutatják, 1 Mpc (megaparszek) kb. 3,26 millió fényévnek felel meg. (Forrás: LIGO Scientific Collaboration)
A folyamatos technológiai fejlesztések mellett pedig a létszám is tovább fog növekedni a következő években. Elsőként a már épülő LIGO India fog csatlakozni a jelenlegi gárdához, előreláthatólag öt éven belül; majd az egyelőre céldátum nélküli, ám 10 km-es karhosszal bíró Einstein Observatory. A nagyobb detektorok új dimenziókat nyithatnak majd meg a gravitációs hullámok kutatásában, ahogy egyre gyengébb jeleket és új forrásokat tudnak detektálni a szoros kettőscsillagoktól kezdve az aszimmetrikus robbanásokig. Az igazán nagy áttörést a 2034 után debütáló LISA projekt hozhatja majd el – egy űrbe telepített detektor 2,5 millió km-es karhosszakkal!
A LIGO-Virgo nemzetközi együttműködésben több száz intézet közel kétezer kutatója dolgozik, köztük magyarok is. A hazai kutatócsoportok közül az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja a Virgo interferométernél működik közre; míg a Szegedi Tudományegyetem kutatói, valamint az ELTE és a debreceni Atommagkutató Intézet Eötvös Gravity Research Group munkatársai a LIGO kollaborációban vállalnak szerepet.
Utóbbi csoport honlapján további közérthető anyagok találhatnak a gravitációs hullámok iránt érdeklődők.
A LISA detektorrendszer illusztrációja. (Forrás: NASA)
Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat – tudományról és science fictionről egyaránt.