A kozmosz hangjai
Ritkaságnak számít, hogy annyira aktuális eredményt díjaz a Svéd Királyi Tudományos Akadémia, mint ahogy az idei fizikai Nobel-díj esetében történt. Rainer Weiss, Kip S. Thorne és Barry C. Barish ugyanis azért részesültek a kitüntetésben, mert kulcsszerepet játszottak egy olyan érzékelő megalkotásában, amely 2015 szeptemberében észlelt először tényleges jeleket. A LIGO együttműködés detektorairól van szó, amelyek két éve elsőként mértek gravitációs hullámokat, egészen új utakat nyitva meg a világegyetem vizsgálatában.
Míg a világegyetemről alkotott ismereteink évezredek óta elektromágneses hullámok (rádió-, mikro-, infravörös-, fény-, ultraibolya-, röntgen- és gammahullámok) észlelésén alapulnak, a gravitációs hullámok észlelése révén egészen másfajta szempontból vizsgálható az űr, és annak távoli, óriási energiákat felszabadító, rejtélyes eseményei.
Einstein hullámai
2015. szeptember 24-én közép-európai idő szerint 11:51-kor két gigantikus detektor különös dolgot észlelt az Egyesült Államokban. A gyenge, ám pontosan kimutatható jelek azt mutatták, hogy két fekete lyuk összeolvadásának gravitációs hullámai haladtak keresztül a Földön.
A mérések kiértékelése még hónapokig eltartott, de mire a LIGO kutatói bejelentették az észlelést, világossá vált a két égitest mérete, távolsága, és az is, hogy mennyi energia távozott a rendszerből a téridőt megrengető hullámok formájában.
A jel, amely nagyon messziről, 1,3 milliárd fényév távolságból érkezett, egy olyan jelenség létét igazolta, amelyről egy évszázada vitatkoznak a fizikusok. A gravitációs hullámok létezését Albert Einstein jósolta meg 1918-ban. Az általános relativitáselmélet szerint az égitestek torzítják maguk körül a téridőt, vagyis a tér idővel kiegészített, négydimenziós modelljét.
The waves came from a collision between two black holes. It took 1.3 billion years for the waves to arrive at the LIGO detector in the USA. pic.twitter.com/kg6vQbIm7t
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 3, 2017
Einstein arra is rájött, hogy ebből viszont az következik, hogy ha a téridőben gyorsuló testek mozognak (például két fekete lyuk egymás felé zuhan, mielőtt összeolvadna), ezek koncentrikus körökben továbbterjedő torzulásokat keltenek. Ezeket pedig elméletileg egy távoli megfigyelő is érzékelni tudja, ha képes arra, hogy megmérje a téridő átmeneti összehúzódásait és megnyúlásait.
A gravitációs hullámok tényleges megfigyelését ugyanakkor maga Einstein is képtelenségnek tartotta. Egyrészt úgy vélte, hogy ha léteznek, valószínűleg túl gyengék ahhoz, hogy a Földről mérni lehessen ezeket, másrészt abban sem volt biztos, hogy a hullámok valóságosak, vagy csak matematikai modelljének véletlen melléktermékei.
Kétséges kezdetek
Az Einstein által felvázolt hullámok létezését így sokáig mindenki kétkedéssel fogadta, és ez a helyzet csak az 1950-es évektől kezdett lassan megváltozni. A 20. század közepén ugyanis új számításokkal sikerült igazolni, hogy ha léteznek ezek a hullámok, akkor energiát is hordoznak, így elvileg mérhetők is lehetnek.
Az első közvetett bizonyíték a gravitációs hullámok létezésére az 1970-es években látott napvilágot, amikor Joseph Taylor és Russell Hulse amerikai csillagászok rádiótávcsővel vizsgáltak egy kettős pulzárt, azaz két rendkívül nagy tömegű, sűrű, egymás körül keringő csillagot.
A szakértőknek sikerült kimutatniuk, hogy a két égitest folyamatosan közeledik egymáshoz és gyorsul, közben viszont a rendszer teljes energiatartalma csökken. A hiányzó energiamennyiség pedig pontosan úgy alakult, ahogy azt a gravitációs hullámokkal kapcsolatos elméleti számítások előre jelezték.
A megfigyelések kapcsán korán felmerült várható problémaként, hogy a Földről is mérhető erejű hullámok érzékeléséhez a világűr legpusztítóbb eseményeinek elcsípésére lesz szükség. Amelyek viszont saját kozmikus szomszédságunkban csak rendkívül ritkán következnek be, így kicsi az esélye, hogy pont jókor lesz az emberiség jó helyen két szomszédos fekete lyuk összeolvadásának megfigyeléséhez.
Ha viszont távolabbra tekintünk, nagyobb teret és időt látunk át, így az esélyek növekedni kezdenek. De minél messzebbre tekintünk, annál gyengébbek lesznek a hullámok, mire ideérnek hozzánk. Észlelésükhöz tehát egy nagyon nagyméretű detektorra volt szükség.
Detektort, de milyet?
A gigaérzékelő megépítéséről már több mint fél évszázada ábrándoznak a szakértők, a megvalósítás azonban nem volt egyszerű. Az első érzékelő az 1960-as években készült el, és egy hangvillára emlékeztetett. Bár létrehozója Joseph Weber állítólag ezzel is észlelni tudta a hullámokat, méréseit senki sem tudta megismételni, így a többség nem adott hitelt azoknak.
Az idei fizikai Nobel-díj két nyertese, Kip Thorne (Caltech) és Rainer Weiss (MIT) az 1970-es években vetették bele magukat annak a problémának a megoldásába, hogy hogyan lehetne észlelni a gravitációs hullámokat. Bár ebben az időszakban még az egész témát nagyfokú szkepticizmus övezte, a kutatók meg voltak győződve arról, hogy ezek a hullámok léteznek, mérhetők és érzékelésük forradalmasíthatja a csillagászatot.
Weiss annak elemzésével kezdte a munkát, hogy milyen háttérzajjal kell majd számolni a mérések során, majd megtervezett egy műszert, egy lézer-interferométert, amely képes lehet felülemelkedni ezen a zajon. Közben Kip Thorne Ronald Drever skót kutatóval kezdett dolgozni egy alkalmas detektor tervein.
Drever eleinte Glasgow-ban munkálkodott saját prototípusain, majd szintén a Caltechen kötött ki, és a következő évektől hármuk (Weiss, Thorne és Drever) fejlesztései uralták a területet. (Drever később kikerült a projekt fősodrából, de eredményei nélkül elképzelhetetlen lett volna a siker. A skót kutató idén márciusban hunyt el, így még megérhette pályájának talán legmesszebbre vivő eredményeit.)
Tükröm, tükröm
Weber hangvillaszerű elrendezése helyett a három szakértő Weiss lézer-interferométerének továbbfejlesztésén dolgozott. Az alapkoncepció az volt, hogy építenek egy olyan műszert, amely két, egymásra merőleges, nagyon hosszú karból áll, amelyek hossza átmenetileg megváltozik, amikor gravitációs hullámok haladnak át a detektoron.
Ma a LIGO és a VIRGO is ezen az elven működik. A karok hosszát olyan lézernyalábokkal mérik, amelyek egyetlen nyaláb kettéosztásával jönnek létre. A két nyaláb többször is végigfut a karokon az azok végeiben elhelyezett tükrökről visszaverődve, mielőtt újra egyesülnének. A megtett út hossza úgy van meghatározva, hogy ha annak során nem változott meg a karok hossza, a két nyaláb pont ellentétes fázisban ér össze, így kioltják egymást, amikor egyesülnek.
Ha viszont bármelyik kar hossza megváltozik, mert az áthaladó gravitációs hullámok megnyújtják vagy összenyomják azt, a nyalábok a korábbinál hosszabb vagy rövidebb utat tesznek meg, így eltérő fázisban egyesülnek, és nem fogják kioltani egymást. Az egyesülés helyére elhelyezett fényérzékelőre ilyenkor fényjel vetül, amelynek intenzitása arányos a mért hullámok intenzitásával.
Learn more about the 2017 #NobelPrize in Physics via the popular info ”Cosmic chirps” (pdf): https://t.co/tSs58eZ5Xj pic.twitter.com/CLHkegfYgg
— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 3, 2017
Az ötlet tehát viszonylag egyszerű volt, a megvalósítás során ugyanakkor számtalan apró problémát kellett megoldani ahhoz, hogy a több kilométeres műszerek az atommag átmérőjénél is kisebb hosszváltozásokat tudjanak mérni. A kivitelezés végül több mint negyven évet vett igénybe.
A LIGO két füle
A LIGO-t eleve két detektorral tervezték, amelyek mindegyike 4 kilométer hosszú karokkal rendelkezik. Az egyik érzékelő Hanfordban, a másik háromezer kilométerre onnan, Livingstonban épült meg. A fejlesztés elemzési és elméleti részét Thorne vezette, a mérnöki megvalósítás pedig Weiss vállán nyugodott.
A siker érdekében újfajta lézertechnológiát és új anyagokat kellett kifejleszteni, valamint legyártani és összeilleszteni az óriási vákuumcsöveket, amelyekben a nyalábok futnak, végül az egész létesítményt példátlan mértékben el kellett szigetelni a földi világ zavaró hatásaitól.
Mindez nem valósulhatott volna meg Barry Barish munkálkodása nélkül, aki 1994-ben vette át a LIGO vezetését. Barish felismerte, hogy a pici, negyven fős kutatócsoport a két gigadetektor tényleges megépítéséhez kevés lesz, és elkezdte lefektetni egy óriási nemzetközi együttműködés alapjait, amelynek keretében jelenleg a világ minden tájáról több mint ezer kutató dolgozik együtt.
Az első jelek
A 2002-re elkészült LIGO 2015 szeptemberében egy nagyobb fejlesztési szüneten volt túl, amikor néhány nappal a legújabb kísérletsorozat hivatalos megkezdése előtt gravitációs hullámokat észlelt. A hullámok először a livingstoni detektort érték el, majd 7 ezredmásodperccel később – fénysebességgel haladva – Hanfordban is felbukkantak.
Az észlelt jelekről a számítógépes rendszere azonnal riasztást küldött a kutatóknak. Az Egyesült Államokban még mindenki aludt, Németországban azonban éppen az ebédhez készülődtek. Az értesítést így elsőként Marco Drago, a hannoveri Max Planck Gravitációfizikai Intézet fiatal fizikusa látta.
A mért görbék pontosan úgy néztek ki, mint amelyek felismerését előzőleg annyiszor gyakorolta a kutató, ebből azonban még korántsem következett, hogy Drago gravitációs hullámokat lát. Elképzelhetőnek tűnt, hogy tévedésről, vagy esetleg egy be nem jelentett tesztről van szó.
Aztán kiderült, hogy a jel nagyon is valós mérést takar. Az együttműködés kutatói fél évig elemezték az eredményeket, hogy biztosak legyenek abban, tényleg gravitációs hullámokat látnak, mielőtt nyilvánosságra hozták volna az észlelést. Az eredmények pedig minden várakozást felülmúltak.
A mért jelekből kiderült, hogy a gravitációs hullámokat két fekete lyuk keltette, amelyek 29 és 36 naptömegűek voltak. A két égitest a Földtől 1,3 milliárd fényévre egy 62 naptömegű fekete lyukká olvadt össze, a maradék energiát – nagyjából 3 naptömeget – pedig néhány tizedmásodperc alatt gravitációs hullámok formájában adta le.
És megszületett a gravitációshullám-csillagászat
A LIGO az első felfedezés óta idén nyárig két hasonló eseményt detektált, majd 2017. augusztus 14-én már az olaszországi VIRGO lézer-interferométerrel közösen is észlelt egy egyesülést. Ezen esemény során, amelyet tehát már három földi detektor figyelt meg, szintén két közepes nagyságú fekete lyuk olvadt össze 1,8 milliárd fényévnyire tőlünk.
A Földön sorra épülnek az újabb detektorok, és arra vonatkozóan is vannak tervek, hogy az űrben is létre lehetne hozni hasonlókat. Hiszen ott még több a hely, így még hosszabbak lehetnek a karok, és még a vákuummal sem kell bajlódni, hiszen eleve légüres tér van odafent.
A csillagászat története során minden olyan eszköz, amely az elektromágneses spektrum újabb tartományait tette mérhetővé, új ismertekkel bővített a világegyetemmel kapcsolatos tudásunkat. A gravitációs hullámok pedig tovább szélesíthetik ezt a képet.
Az univerzum örökre megváltozott
– nyilatkozta Márka Szabolcs, a Columbia kutatója és a LIGO együttműködés tagja a Scientific American című lap hasábjain 2016 februárjában, az első bejelentés után. „Olyan, mintha eddig csak tapintani, szagolni, ízlelni és látni tudtunk volna, majd egy napon hirtelen elkezdtünk volna hallani is. … Mától kezdve hallhatjuk is a kozmoszt. És láthatjuk a láthatatlant” – tette hozzá a szakember.
(Forrás: Nobelprize.org, kiemelt kép: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet))
