2016 legnagyobb tudományos szenzációja volt a bejelentés, hogy 2015 végén a Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) két, egymástól háromezer kilométerre fekvő detektora először észlelt közvetlenül gravitációs hullámokat. 

Ezzel egy száz éve tartó tudományos hajsza ért véget, de az igazán izgalmas munka szinte csak ezután indult meg, a gravitációs hullámok kimutatása ugyanis egy új csillagászat, és ezzel együtt egy új fizika alapját is jelentheti. 

Csütörtökön jelentették be a LIGO kutatói, hogy immáron harmadszor is közvetlenül észleltek gravitációs hullámokat. Mint a korábbi két észlelés esetében, ezek a hullámok is akkor keletkeztek, amikor két fekete lyuk összeolvadt, egy nagyobb fekete lyukat hozva így létre. 

A LIGO kutatóinak közleménye szerint az újonnan felfedezett fekete lyuk, ami az összeolvadás során keletkezett, körülbelül 49-szer akkora tömegű, mint a Napunk. Ez az érték a LIGO által korábban észlelt két, szintén összeolvadásból származó fekete lyuk tömege közé esik, amelyek 62 illetve 21 Naptömegűek.

„Újabb megerősítést kaptunk olyan, csillagokból keletkezett fekete lyukak létezésére, amelyek 20 Naptömegnél nagyobbak. Ilyen tömegű objektumok létezéséről nem tudtunk azelőtt, hogy a LIGO észlelte volna őket.” 

- mondta el David Shoemaker az MIT-ről, a LIGO Scientific Collaboration (LSC) újonnan megválasztott szóvivője. 

Az LSC több, mint 1000 kutató nemzetközi együttműködése, akik a LIGO kutatásait az európai Virgo Kollaborációval közösen végzik. Az új észlelés a LIGO jelenleg zajló, O2 nevű, 2016. december elején kezdődött megfigyelési időszaka alatt történt, ami a nyár végéig tart. A megfigyeléseket két azonos detektor végzi - az Egyesült Államok-beli Hanfordban (Washington állam) és Livingstonban (Louisiana állam) -, amelyeket a Caltech és az MIT egyetemek működtetnek, a National Science Foundation (NSF) támogatásával.

A LIGO 2015 szeptemberében először észlelt közvetlenül gravitációs hullámokat, az első olyan megfigyelő időszaka alatt (O1), ami az után történt, hogy a detektorok jelentős fejlesztésen mentek keresztül az Advanced LIGO nevű program keretében. A második észlelés 2015 decemberében történt. A harmadik, GW170104 nevet viselő, 2017. január 4-i észlelésről egy új szakcikk számol be, ami a Physical Review Letters folyóiratban június 1-én jelenik meg.

„Most már tisztán látszik, hogy a gravitációshullám-detektorok valóban új ablakot nyitnak a világegyetemre, és megkezdődhet az asztrofizika ezen új ágának megfigyelési korszaka”

– mondta Frei Zsolt, az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) professzora, az ELTE LIGO tagcsoportjának vezetője. „A kérdés már nem az, hogy tudjuk-e észlelni a gravitációs hullámokat, mivel ez a harmadik megtalált jel után immár kétséget kizáróan bebizonyosodott. A kérdés most már az, hogy hogyan és mire tudjuk használni ezeket a jeleket az asztrofizikában és a világegyetem megértésében.”

A LIGO közleménye kitér arra is, hogy mindhárom esetben a két detekoruk egyszerre észlelte a feketelyuk-párok nagyenergiájú összeolvadásából származó gravitációs hullámokat. Ezek az ütközések az adott, rövid időpillanatban, nagyobb teljesítményt bocsátanak ki, mint amekkorát a világegyetem összes csillaga és galaxisa együttvéve fény formájában kisugároz. A legutóbbi jel érkezett eddig a legtávolabbról: a fekete lyukak összeolvadása tőlünk mintegy 3 milliárd fényévnyire történt. (Az első és a második észlelés fekete lyukjai rendre 1,3 és 1,4 milliárd fényévnyire voltak.)

Hogyan jönnek létre a feketelyuk-kettősök? 

A legújabb észlelés arról is árulkodik, hogy a fekete lyukak milyen irányú tengelyek körül forogtak. Miközben a fekete lyukak egymás körül keringenek, egyúttal a saját tengelyük körül is forgást végeznek - mint amikor két forgó korcsolyázó egymás körül táncol a jégen. A fekete lyukak esetenként a keringésük tengelyével azonos irányban forognak - amit az asztrofizikusok összehangolt forgásnak neveznek -, néha pedig a keringési tengellyel ellentétes irányban végzik a forgásukat. Mi több, a fekete lyukak forgástengelye akár ferdén is állhat a keringés síkjához képest. Végső soron, a fekete lyukak forgástengelye tehát bármilyen irányba mutathat.

A LIGO által most észlelt jel tulajdonságai arra utalnak, hogy legalább az egyik fekete lyuk forgástengelye más irányba állt, mint a kettős keringési tengelye. Több LIGO észlelésre van szükség ahhoz, hogy egyértelmű kijelentést lehessen tenni a feketelyuk-kettősök forgásáról, de már a jelenlegi adatok is elárulnak valamit a kettősök létrejöttéről.

„Most először van bizonyítékunk arra, hogy a két fekete lyuk forgása nem összehangolt, ami arra utal, hogy az észlelt kettős egy sűrű csillaghalmazban, befogódással keletkezett.”

- mondta Raffai Péter, az ELTE adjunktusa. "Az Eötvös Loránd Tudományegyetem LIGO tagcsoportjaként az elsők között voltunk a LIGO kollaborációban, akik ezzel a keletkezési mechanizmussal foglalkoztunk. A mostani felfedezés megerősítést jelent a számunkra abban, hogy a kutatásainkkal jó úton haladunk."

Két alapmodell létezik arra, hogy a feketelyuk-kettősök hogyan jöhetnek létre. Az első modell szerint a fekete lyukak együtt keletkeznek: egy kettősrendszert alkotó csillagpár mindkét tagja szupernóvaként felrobban, amiben, mivel az eredeti csillagok összehangoltan forogtak, a keletkező fekete lyukak forgása is összehangolt marad.

A másik modell szerint a fekete lyukak csak a kialakulásuk után találkoznak egymással, sűrű csillaghalmazokon belül. A fekete lyukak azután alkotnak kettősrendszert egymással, hogy mindketten a csillaghalmaz közepébe süllyedtek. E folyamat eredményeként a fekete lyukak bármilyen irányban foroghatnak a keringés síkjához képest. Mivel a LIGO több bizonyítékát látja annak, hogy a GW170104 fekete lyukjai nem összehangoltan forogtak, az adatok valamivel jobban alátámasztják a sűrű csillaghalmazokban keletkezés elméletét.

„A tanszékünkön folyó asztrofizikai kutatások több szállal is kapcsolódnak a most születő gravitációshullám-asztrofizika témaköréhez. Kocsis Bence ERC Starting Grantot nyert, és sűrű csillaghalmazok fizikájával foglalkozik az ELTE LIGO tagcsoportjával együttműködve. Pontosan ilyen környezetben alakulnak azok a feketelyuk-párok , amelyeknek gravitációshullám-jelét most észleltük” – mondta el Frei Zsolt a kutatók által kiadott közleményben. 

Kérdések Einstein felé

A közlemény kitér arra is, hogy az észlelés ismét próbának vetette alá Albert Einstein gravitációelméletét. A kutatók például egy "diszperziónak" nevezett jelenséget is kerestek, amely fényhullámoknak egy anyagi közegen történő áthaladásakor is fellép, mint például üvegben, ahol a fényhullámok a hullámhosszuktól függő sebességgel haladnak át: a prizmák ennek segítségével hoznak létre szivárványt. Einstein általános relativitáselmélete kizárja a gravitációs hullámok diszperzióját a forrásuktól a Földig tartó útjuk során. A LIGO - az elmélet várakozásaival összhangban - nem találta nyomát ennek a jelenségnek.

„Az első három közvetlen gravitációshullám-észlelést elemezve, a kutatók az általános relativitáselmélettől való olyan eltérések lehetőségét vizsgálták, melyekben sérül a lokális Lorentz-invariancia, a modern fizikai elméletek egyik alapkövetelménye. Bizonyos kvantumgravitációs elmélet-jelöltek esetében így a gravitáció a fénysebességtől különböző sebességgel terjedne.”

– mondta el Gergely Árpád László, a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) professzora, az SZTE LIGO-csoportjának vezetője. „Az észlelések elemzése azt mutatta, hogy az eltérés kimutathatatlan. Mitöbb, a lokális Lorentz-invarianciát nem sértő, de fénysebességnél lassabban terjedő gravitációt feltételező elméletekre is kényszer adódott: a graviton tömegéről mintegy három trilliószor pontosabban derült ki, hogy nulla, mint azt az erős kölcsönhatást hordozó részecskékről, a gluonokról tudtuk. Ezt az eredményt nem utolsósorban a harmadik gravitációshullám-forrás igen nagy távolságának köszönhetjük, az eltérés ugyanis a hosszú út során összeadódna.”

A LIGO-Virgo együttműködés kutatói tovább folytatják a legújabb LIGO adatok átfésülését, a világegyetem távoli régióiból érkező téridő-fodrozódások után kutatva. További technikai fejlesztéseken is dolgoznak a LIGO következő adatgyűjtő időszakára készülve (ez lesz majd az O3), ami várhatóan 2018 végén kezdődik el, miután a detektorok érzékenysége ismét tovább javulni fog.

„Az összeütköző fekete lyukakból származó gravitációs hullámok harmadik megerősített észlelésével a LIGO hatékony eszköznek bizonyult a világegyetem sötét objektumainak megfigyelésére.” – mondja David Reitze a Caltechről, aki a LIGO laboratórium ügyvezető igazgatója. 

„Miközben a LIGO egyedülállóan alkalmas az ilyen típusú események megfigyelésére, abban reménykedünk, hogy hamarosan olyan, másfajta asztrofizikai eseményeket is meglátunk majd, mint amilyenek például a neutroncsillagok nagyenergiájú ütközései.”

Az első észlelések bejelentésekor hosszasan beszélgettünk Frei Zsolttal, az akkor megjelent cikkünkből rengeteg további részletet lehet megtudni a LIGO-ról, a gravitációs hullámokról, a fekete lyukak természetéről és a projektben részt vevő magyar kutatók szerepéről. A kutatásban szintén részt vevő Raffai Péter pedig tavaly márciusban volt a Science MeetUp vendége, az előadásáról készült felvételt itt lehet megnézni.