Február 11-én, magyar idő szerint délután fél ötkor a LIGO Tudományos Együttműködés (LIGO Scientific Collaboration, LSC) Washingtonban bejelentette, hogy még 2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint délelőtt 10:50:45-kor mindkét LIGO-detektor egy két tizedmásodperces jelet rögzített, és ezzel közvetlen bizonyítékot kaptak a gravitációs hullámok létezésére. „Megcsináltuk!” – kezdte David Reitze, a LIGO vezetője a sajtótájékoztatót. A fizikusok nagyjából száz éve vártak erre a bejelentésre.
A felfedezést részletező szakcikket a Physical Review Letters című szaklap megjelenésre elfogadta – ez valószínűleg az évtized legidézettebb cikke lesz a fizikában. A felfedezésért biztosan Nobel-díj jár majd: már a hullámok közvetett észleléséért is, a Hulse–Taylor kettős pulzár periódusidejének megfigyeléséért is Nobel járt 1993-ban, most pedig közvetlen bizonyítékot találtak. De mi az a LIGO? Mi a gravitációs hullám?
A kutatóknak olyasmit sikerült igazolniuk, amit már régóta sejtettünk: Albert Einstein 1915-ben publikálta az általános relativitáselméletet, majd 1916-ban és 18-ban kifejezetten a gravitációs hullámokról szóló dolgozatát (1916-ban elszámolta magát, az 1918-as dolgozat ennek javítása). Einstein számolásából egyértelműen kijött, hogy a gravitációs hullámok léteznek – ez volt a fizikus utolsó olyan jóslata, amit eddig nem sikerült bizonyítani. Einstein dolgozataiból pedig azt derül ki, hogy a gravitációs hullámok a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai.
A kutatás megértéséhez fel kell fogni, hogy egyáltalán mi az a téridő. A fogalmat még a speciális relativitáselméletben vezette be Einstein a fizikába. Minden mozgás egyben térbeli és időbeli, a hétköznapi tapasztalatunk alapján pedig a kettő függetlennek tűnik: a térbeli mozgást például mérőszalaggal mérjük ki, ilyenkor változnak a szélességi, hosszúsági és magassági koordináták. Az időbeli mozgást pedig az órával. Einstein viszont rámutatott, hogy tér és idő nem függetlenek, nincs értelme arról beszélni, hogy háromdimenziós térben és egydimenziós időben mozgunk, hanem négydimenziós téridőben, ahol matematikai szempontból egy irány lesz az idő is.
Nehéz ezt gyakorlati példával érzékeltetni, mert a hétköznapokban nem tapasztaljuk, hogy tér és idő összefüggne. Ha a térben egyenesen haladunk egy irányba, de aztán eltérünk tőle, akkor a haladásunk az eredeti irányba lelassul. Például ha az utcán pontosan előttünk látunk egy lámpaoszlopot, és megyünk egyenesen felé, akkor X idő alatt elérjük az oszlopot. De ha egy kicsit jobbra tartva haladunk, hogy ne menjünk neki az oszlopnak, akkor az oszlop mellett kötünk ki, de X-nél több idő alatt érjük el az oszlopot, hiszen nem egyenesen felé haladtunk, hanem kicsit jobbra is.
Ez még könnyen érthető, az viszont már nehezebben befogadható, hogy az időbeli mozgás is hasonló. Vagyis ha ülünk egy széken mozdulatlanul, és telnek a percek – vagyis az időben mozgunk előre –, az nem ugyanolyan, mint amikor felállunk a székről, és elkezdünk a térben mozogni. Ez utóbbi ugyanis az időben éppen annak felel meg, mint amikor a fenti oszlopos példában egyik irányból váltottunk a másikba. Azaz, ha felállunk a székről és a térben mozgunk, valójában lassabban telik az idő, mintha egy helyben ülnénk.
Mindebből következik az ikerparadoxon jelenség : ha leültetünk két azonos korú, teljesen egyszerre született embert egymás mellé, egyformán telik számukra az idő. De ha az egyik ülve marad, a másik pedig elkezd térben is mozogni, akkor amikor visszaül, az ikerpár tagjai már nem lesznek azonos korúak: aki egy helyben maradt, öregebb lesz, mint aki térben mozgott, mert utóbbi lassabban haladt előre az időben, mint az egy helyben ülő. A mindennapokban ezt a jelenséget nem érzékeljük, mert csak igen-igen nagy sebességnél számottevő, a fénysebesség közelében. De ha az ikerpár egyik tagját elküldenénk az űrbe egy majdnem fénysebességgel száguldó rakétán, majd pár hónap múlva visszahoznánk, csak annyit öregedne, amennyit saját ideje szerint távol volt, pár hónapot – míg Földön maradt testvére akár évtizedeket
Az ikerparadoxonhoz hasonló felvetések nagyon foglalkoztatták száz éve a fizikusokat. A speciális relativitáselmélet jó megoldása volt olyan rejtélyeknek, amiket már korábban ismertek kísérletekből, de nem tudták megmagyarázni. Viszont ez az elmélet még nem tudott mit kezdeni a gyorsuló mozgással, csak olyan mozgásokról szólt, amikor a szereplők egymáshoz képest egyenes vonalú, egyenletes mozgást végeztek. Einstein 1915-ben publikálta általános relativitáselméletét, amely már a gyorsuló mozgást is figyelembe vette. Leírta, hogy a gravitációs mezőben lenni folyamatosan gyorsuló mozgást jelent, amiben a térbeli távolságok és időtartamok is a mező ingadozásaival változnak. Vagyis az ingadozó gravitációs mező megváltoztatja a testek közötti távolságot, és mivel téridőről beszélünk – azaz a térbeli mozgás össze van kötve az időbelivel –, ha a tér megnyúlik és a térbeli távolság nő, akkor nő az időbeli is.
Képzeljük el a teret gumilepedőnek, amit a rádobott tárgyak behajlítanak, például ha a gumilepedőre labdát dobunk, a lepedő jellegzetesen megnyúlik alatta: hasonló történik a téridővel, ha tömeggel bíró testeket helyezünk el benne. És hogy még nehezebben felfogható legyen a dolog: amikor nagyon nagy tömegű testek mozognak egymás körül, akkor a „gumilepedő” torzulásai továbbterjednek. És ezzel jutottunk el a fentebb írt definícióhoz, amit most meg is ismétlünk: a gravitációs hullámok a téridő terjedő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai.
Most egy ilyen hullámot fedeztek fel, és ami az igazán nagy szám: közvetlenül. Az alábbi videó már ezt a konkrét felfedezést mutatja: két egymás körül keringő fekete lyuk hajlítja a téridőt, majd amikor egyesülnek, hatalmas energiát bocsátanak ki, és a téridő fodrozódása továbbterjed. A videó alján a kutatók által érzékelt jelet látjuk.
Mindez szépen hangzik, de mégis hogy lehet ezt bizonyítani, hogy változik körülöttünk a téridő? Nem könnyen; kellett hozzá több száz tudós, egymilliárd dollár, húsz év, egy hatalmas lézer és egy interferométer nevű eszköz. A hullámok észleléséhez szükséges kísérletekhez az Egyesült Államokban felépült a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), aminek egyik gravitációshullám-detektora a louisianai Livingstonba került, a másik pedig a washingtoni Hanfordba. Ezeknek sikerült 2015 szeptemberében egyszerre észlelniük a hullámokat. A két detektor egymástól 3000 km-re van, mocsárban ill. sivatagban, (távol a világ zajától), így ha ugyanazt a jelet érzékelik, akkor van esély arra, hogy az kozmikus eredetű.
Az interferométerek közül a legnagyobb, négy kilométeres karhosszúsága a két amerikai LIGO-nak van, de mellettük több azonos elven működő gravitációshullám-detektor is van világszerte: ilyen például az olaszországi Virgo (amelyben szintén dolgoznak magyar kutatók) és a németországi Geo 600 is. Japánban már épül a KAGRA, és várhatóan csatlakozik még a LIGO-India is. A földi Einstein- Teleszkóp és az űrbe telepítendő Lisa detektor tervei is elkészültek már.
Több detektor azért jó, mert megerősíthetik vagy cáfolhatják egymás adatait. A legtöbb észlelésnél megjelenő zaj helyi eredetű, míg a felfedezésre váró gravitációs hullámok kozmikusak. A különböző detektorok adatainak összehasonlításával ezért nagyobb hatékonysággal fedezhető fel egy gravitációs hullám jele.
Emellett a gravitációshullám-detektorok sokkal jobban hasonlítanak antennákra, mint irányítható teleszkópokra: a teljes égboltról próbálnak meg jelet begyűjteni, így a gravitációs hullámok pontos eredetének megállapítása csak úgy lehetséges, ha különböző obszervatóriumok észlelik ugyanazt a jelet.
A LIGO két interferométere egy-egy négy kilométer hosszú, L alakban elhelyezett vákuumcső, amelyben egymásnak irányítanak két, majdnem tíz centiméter átmérőjű lézersugarat. A méréshez a lézer a legjobb vonalzó: mivel a gravitációs hullámoknál nyúlik a téridő, maga a vonalzó is nyúlna, nem tudnánk lemérni a különbséget. A fény viszont mindig állandó sebességgel (fénysebességgel) halad, ezért ha megnyúlik a tér, hosszabb idő kell neki, hogy ugyanoda elérjen. A vákuumcső két végén egy-egy tükör van, de a lézerek úgy vannak beállítva, hogy azokról visszaverődve a sugarak pont kioltják egymást, és nem érnek el egy fényérzékeny szenzorig. Ha bármelyik sugár akár csak egy kicsit is elmozdul, a sugarat felépítő fotonok becsapódnak a szenzorba, és ezt már tudják észlelni.
A kutatók azt várták, hogy jön majd egy gravitációs hullám, ami eléri a detektort, megnyújtja és összehúzza a karjait, ezzel a lézersugarak többé nem oltják ki egymást, és a szenzorba becsapódó fotonokból azt tudjuk majd mondani, hogy láttunk egy gravitációs hullámot.
A most észlelt gravitációs hullám a tükörben nagyon apró kitérését okozott: 4×10-18 métert, a proton méretének négyszázad részét. Az észleléshez olyan pontosan kell megmérni a karok hosszát, mintha a Nap és a Föld távolságát egyatomnyi átmérő pontossággal mérnénk. Ezért ha elmegy a LIGO mellett egy autó, vagy ha egy hullám kicsapódik 300 kilométerre a tengerpartra, azt is érzi a LIGO.
Felmerül a kérdés, hogyan lehet kimutatni ennyire pici távolságváltozást? Hiszen ennél a tükrök atomjai is jobban rezegnek, és a fotonok is ennél nagyobb bizonytalansággal verődnek vissza. Ezért ha egy-egy foton visszaverődését figyelnék a kutatók, sosem találtuk volna meg a gravitációs hullámokat. Viszont, mivel a tükröket érő lézernyalábok átmérője majdnem tíz centi, másodpercenként nagyon sok foton éri el őket. Mindegyik kicsit máshogy verődik vissza, de az egyedi atomok véletlenszerű visszaverődése kiátlagolódik: elég nagy számnál pontosan követni lehet az összes foton közös mozgását.
A livingstoni LIGO-detektor…
És ha már a protonok szintjén vagyunk: a tükrök is zizegnek, az azt felépítő atomok is mozognak. A mérés viszont meghatározott frekvenciasávban történik, csak oda várják a gravitációs hullámokat. Minden zaj, ami ezen kívül van, kevésbé érdekes. Még a tükrök is lengedeznek, ez viszont az egyébként nagyon pontos mérést nem befolyásolja, mivel a lengés olyan frekvencián történik, ami nem érdekes a gravitációs hullámok szempontjából. Amelyik frekvenciasáv fontos, ott van nagyon alacsonyra állítva a zajszint: 30-1000 hertzes rezgéseket viszont már nem is látni szabad szemmel, még a lézersugarak fényváltozásaiban sem.
Van még egy, sokkal hétköznapibb probléma is: még az érzékeny frekvenciasávban is a tükrök elmozdulását nemcsak gravitációs hullámok okozhatják, de számos helyi zajhatás – mondjuk földrengés vagy akár egy repülő elhaladása – is. Emiatt a kutatók a LIGO-detektorok egész környezetét több száz műszerrel figyelik, és utólag elemzik, hogy volt-e bármilyen külső hatás, ami a jelet okozhatta.
Az, hogy a rendszer végül riaszt vagy nem, azon múlik, hogy milyen érzékenyre állították be a a keresőprogramokat: a lézernyaláb kicsit kitér, ez a számítógépben már digitális jelként jelenik meg, különböző mintázatokban – a programok aztán szabályosságot keresnek ezekben. Ha a riasztás túl érzékeny, akkor sok zajnál is bejelez. Ha viszont érzéketlenebb, akkor kevesebbszer riaszt, de előfordulhat, hogy valódi jelet veszítenek a kutatók. Ezért a keresőprogramokat olyan érzékenységre állítják be, hogy a riasztások száma még emberi léptékkel átnézhető és feldolgozható legyen. A gravitációs hullámok forrásai négy csoportra bonthatók:
Összeolvadó kettősök (CBC – Compact Binary Coalescence): ezek nemcsak fekete lyukak lehetnek, de neutroncsillagok is. Ezek a legnagyobb tömegűek, nagyon közel keringenek egymáshoz, nagyon megkeverik a teret, ezért őket a legkönnyebb felfedezni. Ilyet találtak most.
Burst típusú jelek: felvillanások, nagyon rövid jelek, ilyeneket keresnek a magyar kutatók, ezekből sok lehet.
Nagyon hosszan periodikus jelek, például nem teljesen gömbszimmetrikus pörgő neutroncsillagé lehet ilyen.
Háttérzaj gravitációs hullámokban: elsősorban az ősrobbanásból származik, de nagyon távoli más források is lehetnek, nem bontható fel a jelük
Azt már végigvettük, mi az a gravitációs hullám, arról viszont még nem volt szó, honnan jönnek. A hullámoknak több forrásuk is lehet, ebből elméletben a legjobban ismertet sikerült most megtalálni: két fekete lyuk úgynevezett bespirálozó kettősét, a Földtől 1,3 milliárd fényévnyire. Mindkét fekete lyuk átmérője közel 200 kilométer volt, annyi, mint a Budapest–Nyíregyháza-távolság légvonalban. A fekete lyukak összeütköztek, a belőlük keletkező még nagyobb fekete lyuk pedig még egy darabig rezgett.
Bár olyan forrást találtak, amire számítottak, két meglepetés azért van a történetben: a két fekete lyuknak nagyobb a tömege, mint amit vártak: 36, illetve 29 naptömeg körüli mind a kettő. Azt gondolta mindenki, hogy inkább kisebb tömegűek lesznek, mert kisebbekből több keletkezik. Ahhoz, hogy ilyen nagy tömegű keletkezzen, nagyon nagy tömegű és tiszta csillagból kellett keletkeznie mindkettőnek.
Sok, a csillagászok számára fontos következmény jön fentiekből:
Ez az első közvetlen bizonyíték, hogy a gravitációs hullámok léteznek, sikerült igazolni Einstein utolsó jóslatát.
Ez az első bizonyíték, hogy Einstein általános relativitáselmélete erős gravitációs mezőben is működik, mint amilyen két fekete lyuk együttes mezeje.
A két fekete lyuk tömege 36, illetve 29 naptömeg volt az összeolvadás előtt, ez összesen 65 naptömeg. Végül egy 62 naptömegű keletkezett, vagyis van 3 naptömeg hiány: az összeolvadás pillanatában a gravitációs hullámok formájában kibocsátott energia vitte el ezt a tömeget. Ez 3000 tipikus szupernóva energiájának felel meg. Másképp mondva, vagy 4500-szor annyi energia, mint amit a Nap teljes élete (10 milliárd év) során kibocsát.
A kettős a három naptömegnyi energiát két tizedmásodperc alatt sugározta szét, ez a legnagyobb sugárzási teljesítmény, amit valaha észlelt az emberiség. Ennél nagyobbat soha nem mértek.
Azt is tudjuk, hogy a fekete lyukak kettősöket alkothatnak, amik az univerzum életkorán belül bespiráloznak és összeolvadnak;
Nem árt az sem, hogy bizonyítottuk a detektorok működését.
A gravitációs hullámoknál viszont nem csak bizonyították hogy az elmélet igaz, gyakorlati hasznunk is lesz belőle: ezek teljesen új információhordozó közeget jelentenek, a csillagászat teljesen új eszközhöz jut. „Minden, amit az emberiség tud a Naprendszeren kívülről, azt fényhullámok megfigyeléséből származik. Most kezdődik el a csillagászat új ága, ami a fényhullámoktól független új információhordozóra épül.
Fényhullámokat mozgó elektromos töltések bocsátanak ki, gravitációs hullámokat mozgó tömegek: eddig mindig csak azokat a jelenségeket láttuk, ahol elektromos töltések voltak, mostantól azokat is, ahol nincs elektromos töltés, csak a tömegek mozognak, például a fekete lyukak. Kicsit olyan, mintha eddig csak szemünk lett volna az univerzumhoz, mostantól viszont van hozzá fülünk is.
Az analógia azért is áll meg, mert a LIGO által észlelt jelek szabad füllel hallhatók a laboratóriumban.
A tudósokat a gravitációs hullámok elsősorban eszközként érdeklik, mert konkrét csillagászati eseményekről tudhanak meg új információkat. A fényhullámokat egy rakás dolog kitakarja, a gravitációs hullámok mindenen áthatolnak. Közvetlenül a dolgok mögé láthatunk, és meg tudjuk mondani, hogy mi mozog és hogyan. Közvetlenül a forrásokról kapunk információt.
Amit most talált a LIGO, az egyszerű és jól ismert hullámforma, ami kiváló arra, hogy az elméletet igazolja, de kevés az új információtartalma. Ha például találunk elnyúlt pályán mozgó feketelyuk-kettősöket, azok tulajdonságait pontosabban megmérhetjük, egy ilyen gravitációs hulláma pedig elárulja majd azt is, mi az a környezet, amiben létrejött ez a rendszer. De többet tudhatunk meg például a nagy rejtélyről, a gamma-felvillanásokról is. Új távlatok nyíltak a fizikában.
Hurrá, van gravitáció!
2016 február 13. | Szerző: amfortas
itt: http://indavideo.hu/video/P14_V4
Február 11-én, magyar idő szerint délután fél ötkor a LIGO Tudományos Együttműködés (LIGO Scientific Collaboration, LSC) Washingtonban bejelentette, hogy még 2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint délelőtt 10:50:45-kor mindkét LIGO-detektor egy két tizedmásodperces jelet rögzített, és ezzel közvetlen bizonyítékot kaptak a gravitációs hullámok létezésére. „Megcsináltuk!” – kezdte David Reitze, a LIGO vezetője a sajtótájékoztatót. A fizikusok nagyjából száz éve vártak erre a bejelentésre.
A felfedezést részletező szakcikket a Physical Review Letters című szaklap megjelenésre elfogadta – ez valószínűleg az évtized legidézettebb cikke lesz a fizikában. A felfedezésért biztosan Nobel-díj jár majd: már a hullámok közvetett észleléséért is, a Hulse–Taylor kettős pulzár periódusidejének megfigyeléséért is Nobel járt 1993-ban, most pedig közvetlen bizonyítékot találtak. De mi az a LIGO? Mi a gravitációs hullám?
A kutatóknak olyasmit sikerült igazolniuk, amit már régóta sejtettünk: Albert Einstein 1915-ben publikálta az általános relativitáselméletet, majd 1916-ban és 18-ban kifejezetten a gravitációs hullámokról szóló dolgozatát (1916-ban elszámolta magát, az 1918-as dolgozat ennek javítása). Einstein számolásából egyértelműen kijött, hogy a gravitációs hullámok léteznek – ez volt a fizikus utolsó olyan jóslata, amit eddig nem sikerült bizonyítani. Einstein dolgozataiból pedig azt derül ki, hogy a gravitációs hullámok a téridő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai.
A kutatás megértéséhez fel kell fogni, hogy egyáltalán mi az a téridő. A fogalmat még a speciális relativitáselméletben vezette be Einstein a fizikába. Minden mozgás egyben térbeli és időbeli, a hétköznapi tapasztalatunk alapján pedig a kettő függetlennek tűnik: a térbeli mozgást például mérőszalaggal mérjük ki, ilyenkor változnak a szélességi, hosszúsági és magassági koordináták. Az időbeli mozgást pedig az órával. Einstein viszont rámutatott, hogy tér és idő nem függetlenek, nincs értelme arról beszélni, hogy háromdimenziós térben és egydimenziós időben mozgunk, hanem négydimenziós téridőben, ahol matematikai szempontból egy irány lesz az idő is.
Nehéz ezt gyakorlati példával érzékeltetni, mert a hétköznapokban nem tapasztaljuk, hogy tér és idő összefüggne. Ha a térben egyenesen haladunk egy irányba, de aztán eltérünk tőle, akkor a haladásunk az eredeti irányba lelassul. Például ha az utcán pontosan előttünk látunk egy lámpaoszlopot, és megyünk egyenesen felé, akkor X idő alatt elérjük az oszlopot. De ha egy kicsit jobbra tartva haladunk, hogy ne menjünk neki az oszlopnak, akkor az oszlop mellett kötünk ki, de X-nél több idő alatt érjük el az oszlopot, hiszen nem egyenesen felé haladtunk, hanem kicsit jobbra is.
Ez még könnyen érthető, az viszont már nehezebben befogadható, hogy az időbeli mozgás is hasonló. Vagyis ha ülünk egy széken mozdulatlanul, és telnek a percek – vagyis az időben mozgunk előre –, az nem ugyanolyan, mint amikor felállunk a székről, és elkezdünk a térben mozogni. Ez utóbbi ugyanis az időben éppen annak felel meg, mint amikor a fenti oszlopos példában egyik irányból váltottunk a másikba. Azaz, ha felállunk a székről és a térben mozgunk, valójában lassabban telik az idő, mintha egy helyben ülnénk.
Mindebből következik az ikerparadoxon jelenség : ha leültetünk két azonos korú, teljesen egyszerre született embert egymás mellé, egyformán telik számukra az idő. De ha az egyik ülve marad, a másik pedig elkezd térben is mozogni, akkor amikor visszaül, az ikerpár tagjai már nem lesznek azonos korúak: aki egy helyben maradt, öregebb lesz, mint aki térben mozgott, mert utóbbi lassabban haladt előre az időben, mint az egy helyben ülő. A mindennapokban ezt a jelenséget nem érzékeljük, mert csak igen-igen nagy sebességnél számottevő, a fénysebesség közelében. De ha az ikerpár egyik tagját elküldenénk az űrbe egy majdnem fénysebességgel száguldó rakétán, majd pár hónap múlva visszahoznánk, csak annyit öregedne, amennyit saját ideje szerint távol volt, pár hónapot – míg Földön maradt testvére akár évtizedeket
Az ikerparadoxonhoz hasonló felvetések nagyon foglalkoztatták száz éve a fizikusokat. A speciális relativitáselmélet jó megoldása volt olyan rejtélyeknek, amiket már korábban ismertek kísérletekből, de nem tudták megmagyarázni. Viszont ez az elmélet még nem tudott mit kezdeni a gyorsuló mozgással, csak olyan mozgásokról szólt, amikor a szereplők egymáshoz képest egyenes vonalú, egyenletes mozgást végeztek. Einstein 1915-ben publikálta általános relativitáselméletét, amely már a gyorsuló mozgást is figyelembe vette. Leírta, hogy a gravitációs mezőben lenni folyamatosan gyorsuló mozgást jelent, amiben a térbeli távolságok és időtartamok is a mező ingadozásaival változnak. Vagyis az ingadozó gravitációs mező megváltoztatja a testek közötti távolságot, és mivel téridőről beszélünk – azaz a térbeli mozgás össze van kötve az időbelivel –, ha a tér megnyúlik és a térbeli távolság nő, akkor nő az időbeli is.
Képzeljük el a teret gumilepedőnek, amit a rádobott tárgyak behajlítanak, például ha a gumilepedőre labdát dobunk, a lepedő jellegzetesen megnyúlik alatta: hasonló történik a téridővel, ha tömeggel bíró testeket helyezünk el benne. És hogy még nehezebben felfogható legyen a dolog: amikor nagyon nagy tömegű testek mozognak egymás körül, akkor a „gumilepedő” torzulásai továbbterjednek. És ezzel jutottunk el a fentebb írt definícióhoz, amit most meg is ismétlünk: a gravitációs hullámok a téridő terjedő hullámszerű megnyúlásai és összehúzódásai.
Most egy ilyen hullámot fedeztek fel, és ami az igazán nagy szám: közvetlenül. Az alábbi videó már ezt a konkrét felfedezést mutatja: két egymás körül keringő fekete lyuk hajlítja a téridőt, majd amikor egyesülnek, hatalmas energiát bocsátanak ki, és a téridő fodrozódása továbbterjed. A videó alján a kutatók által érzékelt jelet látjuk.
Mindez szépen hangzik, de mégis hogy lehet ezt bizonyítani, hogy változik körülöttünk a téridő? Nem könnyen; kellett hozzá több száz tudós, egymilliárd dollár, húsz év, egy hatalmas lézer és egy interferométer nevű eszköz. A hullámok észleléséhez szükséges kísérletekhez az Egyesült Államokban felépült a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), aminek egyik gravitációshullám-detektora a louisianai Livingstonba került, a másik pedig a washingtoni Hanfordba. Ezeknek sikerült 2015 szeptemberében egyszerre észlelniük a hullámokat. A két detektor egymástól 3000 km-re van, mocsárban ill. sivatagban, (távol a világ zajától), így ha ugyanazt a jelet érzékelik, akkor van esély arra, hogy az kozmikus eredetű.
Az interferométerek közül a legnagyobb, négy kilométeres karhosszúsága a két amerikai LIGO-nak van, de mellettük több azonos elven működő gravitációshullám-detektor is van világszerte: ilyen például az olaszországi Virgo (amelyben szintén dolgoznak magyar kutatók) és a németországi Geo 600 is. Japánban már épül a KAGRA, és várhatóan csatlakozik még a LIGO-India is. A földi Einstein- Teleszkóp és az űrbe telepítendő Lisa detektor tervei is elkészültek már.
Több detektor azért jó, mert megerősíthetik vagy cáfolhatják egymás adatait. A legtöbb észlelésnél megjelenő zaj helyi eredetű, míg a felfedezésre váró gravitációs hullámok kozmikusak. A különböző detektorok adatainak összehasonlításával ezért nagyobb hatékonysággal fedezhető fel egy gravitációs hullám jele.
Emellett a gravitációshullám-detektorok sokkal jobban hasonlítanak antennákra, mint irányítható teleszkópokra: a teljes égboltról próbálnak meg jelet begyűjteni, így a gravitációs hullámok pontos eredetének megállapítása csak úgy lehetséges, ha különböző obszervatóriumok észlelik ugyanazt a jelet.
A LIGO két interferométere egy-egy négy kilométer hosszú, L alakban elhelyezett vákuumcső, amelyben egymásnak irányítanak két, majdnem tíz centiméter átmérőjű lézersugarat. A méréshez a lézer a legjobb vonalzó: mivel a gravitációs hullámoknál nyúlik a téridő, maga a vonalzó is nyúlna, nem tudnánk lemérni a különbséget. A fény viszont mindig állandó sebességgel (fénysebességgel) halad, ezért ha megnyúlik a tér, hosszabb idő kell neki, hogy ugyanoda elérjen. A vákuumcső két végén egy-egy tükör van, de a lézerek úgy vannak beállítva, hogy azokról visszaverődve a sugarak pont kioltják egymást, és nem érnek el egy fényérzékeny szenzorig. Ha bármelyik sugár akár csak egy kicsit is elmozdul, a sugarat felépítő fotonok becsapódnak a szenzorba, és ezt már tudják észlelni.
A kutatók azt várták, hogy jön majd egy gravitációs hullám, ami eléri a detektort, megnyújtja és összehúzza a karjait, ezzel a lézersugarak többé nem oltják ki egymást, és a szenzorba becsapódó fotonokból azt tudjuk majd mondani, hogy láttunk egy gravitációs hullámot.
A most észlelt gravitációs hullám a tükörben nagyon apró kitérését okozott: 4×10-18 métert, a proton méretének négyszázad részét. Az észleléshez olyan pontosan kell megmérni a karok hosszát, mintha a Nap és a Föld távolságát egyatomnyi átmérő pontossággal mérnénk. Ezért ha elmegy a LIGO mellett egy autó, vagy ha egy hullám kicsapódik 300 kilométerre a tengerpartra, azt is érzi a LIGO.
Felmerül a kérdés, hogyan lehet kimutatni ennyire pici távolságváltozást? Hiszen ennél a tükrök atomjai is jobban rezegnek, és a fotonok is ennél nagyobb bizonytalansággal verődnek vissza. Ezért ha egy-egy foton visszaverődését figyelnék a kutatók, sosem találtuk volna meg a gravitációs hullámokat. Viszont, mivel a tükröket érő lézernyalábok átmérője majdnem tíz centi, másodpercenként nagyon sok foton éri el őket. Mindegyik kicsit máshogy verődik vissza, de az egyedi atomok véletlenszerű visszaverődése kiátlagolódik: elég nagy számnál pontosan követni lehet az összes foton közös mozgását.
A livingstoni LIGO-detektor…
És ha már a protonok szintjén vagyunk: a tükrök is zizegnek, az azt felépítő atomok is mozognak. A mérés viszont meghatározott frekvenciasávban történik, csak oda várják a gravitációs hullámokat. Minden zaj, ami ezen kívül van, kevésbé érdekes. Még a tükrök is lengedeznek, ez viszont az egyébként nagyon pontos mérést nem befolyásolja, mivel a lengés olyan frekvencián történik, ami nem érdekes a gravitációs hullámok szempontjából. Amelyik frekvenciasáv fontos, ott van nagyon alacsonyra állítva a zajszint: 30-1000 hertzes rezgéseket viszont már nem is látni szabad szemmel, még a lézersugarak fényváltozásaiban sem.
Van még egy, sokkal hétköznapibb probléma is: még az érzékeny frekvenciasávban is a tükrök elmozdulását nemcsak gravitációs hullámok okozhatják, de számos helyi zajhatás – mondjuk földrengés vagy akár egy repülő elhaladása – is. Emiatt a kutatók a LIGO-detektorok egész környezetét több száz műszerrel figyelik, és utólag elemzik, hogy volt-e bármilyen külső hatás, ami a jelet okozhatta.
Az, hogy a rendszer végül riaszt vagy nem, azon múlik, hogy milyen érzékenyre állították be a a keresőprogramokat: a lézernyaláb kicsit kitér, ez a számítógépben már digitális jelként jelenik meg, különböző mintázatokban – a programok aztán szabályosságot keresnek ezekben. Ha a riasztás túl érzékeny, akkor sok zajnál is bejelez. Ha viszont érzéketlenebb, akkor kevesebbszer riaszt, de előfordulhat, hogy valódi jelet veszítenek a kutatók. Ezért a keresőprogramokat olyan érzékenységre állítják be, hogy a riasztások száma még emberi léptékkel átnézhető és feldolgozható legyen. A gravitációs hullámok forrásai négy csoportra bonthatók:
Azt már végigvettük, mi az a gravitációs hullám, arról viszont még nem volt szó, honnan jönnek. A hullámoknak több forrásuk is lehet, ebből elméletben a legjobban ismertet sikerült most megtalálni: két fekete lyuk úgynevezett bespirálozó kettősét, a Földtől 1,3 milliárd fényévnyire. Mindkét fekete lyuk átmérője közel 200 kilométer volt, annyi, mint a Budapest–Nyíregyháza-távolság légvonalban. A fekete lyukak összeütköztek, a belőlük keletkező még nagyobb fekete lyuk pedig még egy darabig rezgett.
Bár olyan forrást találtak, amire számítottak, két meglepetés azért van a történetben: a két fekete lyuknak nagyobb a tömege, mint amit vártak: 36, illetve 29 naptömeg körüli mind a kettő. Azt gondolta mindenki, hogy inkább kisebb tömegűek lesznek, mert kisebbekből több keletkezik. Ahhoz, hogy ilyen nagy tömegű keletkezzen, nagyon nagy tömegű és tiszta csillagból kellett keletkeznie mindkettőnek.
Sok, a csillagászok számára fontos következmény jön fentiekből:
Ez az első közvetlen bizonyíték, hogy a gravitációs hullámok léteznek, sikerült igazolni Einstein utolsó jóslatát.
Ez az első bizonyíték, hogy Einstein általános relativitáselmélete erős gravitációs mezőben is működik, mint amilyen két fekete lyuk együttes mezeje.
A két fekete lyuk tömege 36, illetve 29 naptömeg volt az összeolvadás előtt, ez összesen 65 naptömeg. Végül egy 62 naptömegű keletkezett, vagyis van 3 naptömeg hiány: az összeolvadás pillanatában a gravitációs hullámok formájában kibocsátott energia vitte el ezt a tömeget. Ez 3000 tipikus szupernóva energiájának felel meg. Másképp mondva, vagy 4500-szor annyi energia, mint amit a Nap teljes élete (10 milliárd év) során kibocsát.
A kettős a három naptömegnyi energiát két tizedmásodperc alatt sugározta szét, ez a legnagyobb sugárzási teljesítmény, amit valaha észlelt az emberiség. Ennél nagyobbat soha nem mértek.
Azt is tudjuk, hogy a fekete lyukak kettősöket alkothatnak, amik az univerzum életkorán belül bespiráloznak és összeolvadnak;
Nem árt az sem, hogy bizonyítottuk a detektorok működését.
A gravitációs hullámoknál viszont nem csak bizonyították hogy az elmélet igaz, gyakorlati hasznunk is lesz belőle: ezek teljesen új információhordozó közeget jelentenek, a csillagászat teljesen új eszközhöz jut. „Minden, amit az emberiség tud a Naprendszeren kívülről, azt fényhullámok megfigyeléséből származik. Most kezdődik el a csillagászat új ága, ami a fényhullámoktól független új információhordozóra épül.
Fényhullámokat mozgó elektromos töltések bocsátanak ki, gravitációs hullámokat mozgó tömegek: eddig mindig csak azokat a jelenségeket láttuk, ahol elektromos töltések voltak, mostantól azokat is, ahol nincs elektromos töltés, csak a tömegek mozognak, például a fekete lyukak. Kicsit olyan, mintha eddig csak szemünk lett volna az univerzumhoz, mostantól viszont van hozzá fülünk is.
Az analógia azért is áll meg, mert a LIGO által észlelt jelek szabad füllel hallhatók a laboratóriumban.
A tudósokat a gravitációs hullámok elsősorban eszközként érdeklik, mert konkrét csillagászati eseményekről tudhanak meg új információkat. A fényhullámokat egy rakás dolog kitakarja, a gravitációs hullámok mindenen áthatolnak. Közvetlenül a dolgok mögé láthatunk, és meg tudjuk mondani, hogy mi mozog és hogyan. Közvetlenül a forrásokról kapunk információt.
Amit most talált a LIGO, az egyszerű és jól ismert hullámforma, ami kiváló arra, hogy az elméletet igazolja, de kevés az új információtartalma. Ha például találunk elnyúlt pályán mozgó feketelyuk-kettősöket, azok tulajdonságait pontosabban megmérhetjük, egy ilyen gravitációs hulláma pedig elárulja majd azt is, mi az a környezet, amiben létrejött ez a rendszer. De többet tudhatunk meg például a nagy rejtélyről, a gamma-felvillanásokról is. Új távlatok nyíltak a fizikában.
Oldal ajánlása emailben
X