Gravitációs hullámok milliárd fényévekről

Idén bebizonyosodott Ein­stein elmélete: valóban léteznek gravitációs hullámok. A LIGO kutatási szervezetnek az elmúlt években sikerült olyan szuperérzékeny detektorokat építenie, amelyek képesek a gravitációs erő érzékelésére. Még tavaly szeptemberben fogtak be a műszerek egy rövid hullámjelenséget, amelynek eredményeit hosszas ellenőrzés után idén tették közzé a szakértők.

Közelebb kerültünk a világegyetem megértéséhez

A gravitációs hullámok a legkisebb frekvenciájú, éppen ezért a legnehezebben érzékelhető hullámformák, 2016-ig még a létezésükben sem voltak teljesen biztosak a kutatók. A fizikusok szerint e hullámokra úgy kell tekintenünk, mint a téridő fodrozódásaira, amelyeknek létezésére Albert Einstein éppen száz évvel ezelőtt következtetett relativitáselméletének kidolgozásakor, ám bizonyítani nem tudta. A gravitációs hullámokat mozgó tömegek keltik, amelyek a forrásukról leválva fénysebességgel terjednek tovább számos információt szállítva az adott testről.

Mindezt a LIGO-val (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) négy kilométeres karokból álló lézer interferométerrel működő csillagászati obszervatórium segítségével sikerült bizonyítani. A gigászi szerkezet két detektora az Amerikai Egyesült Államok területén található. A mérési eredményekkel és a feldolgozási folyamatokkal azonban világszerte számos kutatócsoport foglalkozik a LIGO Kollaboráción belül. Ennek tagjai között vannak magyar fizikusok is (többek között Frei Zsolt, Raffai Péter és Gergely Árpád). A felfedezést közlő szakcikk mintegy ezer szerzője között kilenc magyar kutatót is társszerzőként tüntetnek fel.

A kérdés az: mitől olyan fontosak ezek a hullámok? Az univerzum kozmikus anyagainak 95 százalékát csak a gravitációs hullámok érzékelik. Az említett műszerekkel így sokkal közelebb került a fizika a világegyetem megértéséhez. Ha a detektorokat sikerül a kutatóknak továbbfejleszteniük, kiszűrve a hullámokkal együtt járó zajt, a kozmosz különböző pontjairól érkező jelenségek elemzésével újabb kérdésekre kaphatunk választ az univerzumot alkotó anyagokat és azok keletkezését illetően.

Az oxigénburok keletkezésének kora

A legutóbb érzékelt hullámok két fekete lyuk ütközése során keletkeztek 1,3 milliárd fényévnyire a Földtől. Az egymás közelében forgó, végül ütközés során egybeolvadó fekete lyukak jelensége gyakori eset az univerzumban, nagyjából negyedóránként megtörténik valahol a világegyetem valamely, tőlünk nagyon távoli pontján. Az univerzum kialakulásának folyamatát több fázisra osztja a fizika, amelyeknek nagy részét a gravitációs hullámok uralják. Mivel utóbbiakat kellő pontossággal eddig még nem érzékelte semmilyen mérőeszköz, mindeddig nem tudtak konkrét tényeket közölni arról, hogyan keletkezhetett a világmindenség. S bár a szeptemberben frissen érzékelt rezgések magyarázata sem bővíti ki konkrét tényekkel az univerzumról szerzett eddigi ismereteket, ha a LIGO tervei szerint tovább tudják fejleszteni a detektorokat – újakat is építve –, ezzel még több, a kozmosz távolabbi pontjáról érkező hullámokat is be tudnak majd fogni.

Az említett két fekete lyuk ütközése 1,3 milliárd fényévnyi távolságra történt bolygónktól. Mivel a Föld légköréből kilépve a ránk érvényes időintervallum már elveszti értelmét a kozmikus világ hatalmas távolságaiban, a jelenség nagyjából akkor történt, amikor kialakulóban volt a Föld oxigénburka. Az egybeolvadáskor keletkezett rezgések most értek ide, miután megtették az említett fénytávot. A fizikusok szerint fejlettebb detektorokkal korábban keletkezett gravitációs hullámokat is meg tudnának vizsgálni a világegyetem keletkezésének még korábbi szakaszaiból. Hiszen minél korábban történt a gravitációs hullámok által érzékelt jelenség, annál később ér ide hozzánk több milliárdnyi fényévtávolságot leküzdve. A tervek szerint tehát csak évekre vagyunk attól, hogy megértsük, hogyan keletkezett a világegyetem.

Űrdetektort is építenek

Idén ősztől az olaszországi Virgo detektor is csatlakozik a LIGO munkájához, így újabb eredményekre valószínűleg már nem kell évtizedeket várni. Az új projekthez hamarosan a japán KAGRA detektor is csatlakozik, de a szakemberek a LIGO Indiában megépített szerkezetére is számítanak a közeljövőben. Talán a legjelentősebb előrelépést a világűrbeli munkára tervezett, úgynevezett LISA gravitációs hullámérzékelő létrehozása jelentené, amely a Föld körül keringene, és a tervek szerint a szupermasszív fekete lyukak mellett már a fehér törpe fejlődési korban lévő csillagok gravitációs hullámait is érzékelni fogja. A háromszög alakban elhelyezett három műholdból álló LISA-t várhatóan 2020-ban fogják üzembe helyezni.