2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint délelőtt 10:50:45-kor a LIGO nevű gravitációs hullámdetektor olyan jelet észlelt, amilyet még soha nem hallottunk: azokat a gravitációs hullámokat, amelyeknek létezését egy évszázaddal ezelőtt Albert Einstein jósolta meg, de nem tudta bizonyítani.
A felfedezésről csak tavaly hallhattunk először, mivel nagyon sok idő és munka kellett ahhoz, hogy megállapítsák, tényleg gravitációs hullámot érzékeltünk-e, vagy valami teljesen mást – ez a hosszú kutatómunka vár most az európai Virgo Gravitációs Hullám Obszervatóriumra is, amely, úgy tűnik, újra képes volt detektálni a hullámokat.
Relativitáselmélet kezdőknek
De mik is ezek a gravitációs hullámok tulajdonképpen? Egy mondattal megfogalmazva olyan hullámok a téridőben, amelyek a fény sebességével terjednek. Akkor jönnek létre, ha hatalmas tömegű csillagászati objektumok gyorsulnak vagy deformálódnak, esetleg ütköznek egymással.
Keletkezhetnek például szupernóva-robbanásokból, neutroncsillagok vagy fekete lyukak összeolvadásából is. Utóbbi esemény volt az, aminek az első észlelést köszönhettük: a LIGO két fekete lyuk táncából majd egybeolvadásából keletkező gravitációs hullámokat figyelt meg.
Jogosan vetődhet fel a kérdés, hogy mi az a téridő, és hogyan tud hullámzani, összehúzódni vagy megnyúlni. Jellemzően a teret háromdimenziósnak, az időt pedig kétdimenziósnak képzeljük el (azaz az idő csak telik, nem tudunk ide-oda ugrálni benne), Einstein szerint azonban ez egyáltalán nem így van. Az idő és a tér nem függetlenek egymástól, hanem létezik egy négydimenziós téridő, ahol
Az idő és a tér összefügg egymással: az idő lassabban telik, ha a vizsgált test mozog, mintha egy helyben állna. Ez persze földi léptékkel nem számottevő, nem lesz senki sok sétával fiatalabb annál, mint aki csak a kanapén üldögél, de a világegyetemben már mérhető különbségekről van szó.
A hozzánk legközelebbi példa, amivel szemléltetni lehet a téridőt, a Nemzetközi Űrállomás legénységével kapcsolatos: ők ugyanis egy icipicit lassabban öregszenek nálunk, többek között azért, mert folyamatos gyors mozgásban vannak. Ezt hívjuk idődilatációnak.
Végre halljuk is a világűrt, nem csak látjuk
Ha a téridőben nagy tömegű testek léteznek (mint amilyen mondjuk egy fekete lyuk is), azok megnyújtják a közeget, és változást hoznak a téridőben. Ha nagyon nagy tömegű testekről van szó, amelyek ráadásul mozognak egymás körül, akkor ezek a nyúlások és változások továbbterjednek, méghozzá fénysebességgel. Így jönnek létre a gravitációs hullámok, amelyek új ablakot nyithatnak az űrkutatásra.
A világűrt eddig ugyanis jobbára a fény segítségével vizsgáltuk: az utazó fotonokra hagyatkoztunk, ami nem a legjobb módszer, ha belegondolunk, mennyi minden kitakarhatja és halványíthatja őket a világegyetemben. Ezt van, amikor ki is használjuk (az exobolygók tranzitmódszeres megfigyelésénél például), de nagyrészt csak gondunk van vele, mert hátráltatják a megfigyeléseket.
A gravitációs hullámok segítségével gyakorlatilag először hallhatjuk, mi minden történik az univerzumban – és ez nem csak képletes megfogalmazás, az általuk befogott rezgéseket ugyanis tényleg lehet szabad füllel is hallani a laboratóriumokban. Ha sikerül egyre több gravitációs hullámot észlelnünk, egyre többet tudhatunk meg az univerzumról a fénytől független módszerekkel.
Nem az érzékelés a nagyobb munka
A gravitációs hullámok észleléséhez speciális szerkezetekre van szükségünk. A jelenségek laboratóriumban nem reprodukálhatók, mivel olyan hatalmas tömegekkel kellene dolgoznunk, amelyekkel lehetetlen a Földön, így kénytelenek vagyunk természetes formájukban megfigyelni őket. Ahhoz, hogy mérni tudjuk a téridő változásait, úgynevezett interferométerekre van szükségünk. Ezek hosszú, több kilométeres, L alakban elhelyezett vákuumcsövek, amelyekben
A lézer fénye azért tökéletes megfigyelési eszköz, mert amikor megnyúlik a téridő, az egyébként ettől függetlenül egyenletes sebességgel haladó fényrészecskéknek több idő kell ahhoz, hogy ugyanabba a pontba eljussanak, mint amennyi a téridő nyúlása nélkül kellene – máris mérhetjük, hogy mennyivel tovább utaztak a megszokottnál. Ha valamelyik lézersugár ebből adódóan elmozdul, egy fényérzékeny szerkezet jelez a kutatóknak, és megindulhat a hajtóvadászat az elmozdulás okai után.
Az igazi munka viszont csak ekkor kezdődik: az interferométert ugyanis rengeteg minden megzavarhatja, többek között egy egyszerű repülő vagy egy kisebb földmozgás is. Éppen ezért több száz embert bevonó kutatásokra van szükség, hogy képesek legyünk megállapítani a hullámok forrását, és azt, hogy valóban gravitációs jelenségről van-e szó, vagy csak egyszerű zavarról a rendszerben.
Újra magyar kutatók is dolgoznak a projekten
Itt tart most a Virgo: a legutóbbi megfigyelési periódusban, amely a LIGO-val közösen augusztus 1-jén indult meg, és 25-én ért véget, több ígéretes gravitációs hullámjelöltet is felfedeztek, most már csak meg kell állapítani, hogy valóban azok voltak-e, és ha igen, akkor mi generálhatta őket. A több forrásos megfigyelés azért is jó, mert így nagyobb eséllyel találjuk meg, mi a hullámok origója. A Virgo kutatói most körbeküldték a megfigyeléseket csillagászoknak, akiknek az lesz a feladata, hogy
Az együttműködésben egyébként magyar kutatók is részt vesznek, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont 2008-ban csatlakozott az együttműködéshez. A Wigner Virgo-csoportjának tagjai részt vesznek az adatelemzéshez használt számítástechnikai eljárások, algoritmusok fejlesztésében, főként a grafikus processzorok, GPU-k alkalmazásában, továbbá a mért adatok kiértékelésében, az összeolvadó, nagy tömegű csillagok jeleinek keresésében, amihez a kutatóközpont GPU-laborja és a Wigner Adatközpontban üzemeltetett Wigner felhő is rendelkezésre áll.
