Magyar Narancs: A mostani mérés különlegessége, hogy a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory – lézer interferométerrel gravitációs hullámok megfigyelését végző csillagászati obszervatórium) két amerikai detektora érzékelte a gravitációshullám-jelet, míg az európai (olaszországi) nem. Ez annyit jelent, hogy ezek a detektorok csak az égbolt egy bizonyos részét pásztázzák? Mekkora részt tudunk e három detektorral feltérképezni?
Frei Zsolt: Ez azért nem olyan, mint egy földfelszíni távcső, ami egy bizonyos helyről ezt vagy azt a darabját látja az égnek. A gravitációs hullám bárhonnan jöhet, a Földön is áthalad, és majdnem mindenhonnan lehet érzékelni. Egy egyenlő szárú, L alakú interferométerről van szó, amelynek karjai egymásra pontosan merőlegesen a Föld felszínén helyezkednek el. Az érkező gravitációshullám-jel ideális esetben felülről érkezik, ekkor az obszervatórium egyik karja megrövidül, a másik meghosszabbodik: a hosszúságváltozások a terjedési irányra merőlegesek. Ha azonban a jel pontosan a két kar közötti félúton érkezik, akkor a detektor nem érzékel, mert a két kar változása azonos. Egy detektor érzékenysége tehát szinte az egész eget lefedi, néhány kitüntetett (egymásra is merőleges) irány kivételével. Három gravitációshullám-detektorra azért van szükség, hogy időkésleltetéssel ki tudjuk találni, honnan jött a jel. Másként nem is lehetne, hiszen az antennák szinte minden irány esetében érzékenyek a gravitációs hullámokra. Az a tény, hogy a közeli, erős és mindenképpen jól detektálható gravitációshullám-jelet a Virgo detektor nem érzékelte, ellenben a LIGO két detektora igen, arra utalt, hogy a hullámforrás csak bizonyos, az olaszországi detektor helyzetéből következtethető néhány kitüntetett irányból jöhetett, ahol az a detektor éppen érzéketlen. Ezt követően a csillagászoknak – a mi aktív segítségünkkel – tényleg sikerült megtalálniuk a kataklizma nyomán keletkezett gamma-villanást és az utófénylést is.
MN: Utófénynek azért hívják, mert ez egy másodlagos, gerjesztett sugárzás?
Frei Zsolt: Nem egészen. Az a lényeg, hogy történt egy kataklizma, két neutroncsillag összeolvadása, és utána következett a fénykibocsátás. Nyilvánvalóan egy ilyen esemény során rengeteg anyagrészecske lökődik ki a neutroncsillag-kettős rendszeréből, beleütközik a környéken lévő más anyagba – csillagközi porba, gázba –, és itt is gerjeszthet elektromágneses sugárzást, ezt lehet utófénynek nevezni.
Raffai Péter: Két neutroncsillag összeütközése gravitációs hullámokat kelt, de előtte még az is, ahogy egyre gyorsulva egymás körül keringenek. A detektorok most ezt érzékelték. Az összeütközéskor keletkezik a gamma-jel, amit szintén sikerült érzékelni, kis késéssel. Ezt követően visszamarad valamiféle objektum, amiről mi még nem sokat tudunk, viszont e körül ott marad a neutroncsillagok anyagának egy része is – ez az, ami ragyog, ami látható fényt és más-más hullámhosszú elektromágneses sugárzást bocsát ki. Ezt először éppen a látható fény tartományában sikerült megtalálni körülbelül 11 órával az összeütközés gamma-jelének beérkezése után. Tehát itt a visszamaradt anyag utófényléséről, utóragyogásáról beszélünk.
MN: Mai tudásunk szerint, amikor két fekete lyuk egyesül, abból egy nagyobb fekete lyuk keletkezik. Mi történik az egyesülő neutroncsillagokkal? Szinte elképzelhetetlenül sűrű anyagból álló égitestekről beszélünk…
Frei Zsolt: Amikor felrobban egy csillag és szupernóvaként felfénylik – s most a Napnál legalább 4–12-szer nagyobb tömegű csillagokról beszélünk, mert a mi Napunk ehhez túl könnyű –, annak már vas található a magjában. Egészen idáig jutott a belsejében a fúzió, de innen már nem folytatódik. Miután a gravitáció miatt gyakorlatilag ráhullik a magra a csillag teljes külső rétege, elképesztő módon összetömöríti a magot, amiről egyszerűen visszapattan, leválik a csillag külső héja. Az összetömörített csillagmag sorsa a csillag eredeti méretétől függ. Ha nagyon nagy volt a csillag, mondjuk 60 naptömegnél is nehezebb, akkor annyira összetömörödik a belső anyaga, hogy fekete lyuk lesz belőle. A Nap esetében ez elméletileg egy 3 kilométer sugarú gömb lenne. Nem tudjuk, hogy mi rejlik a belsejében, de valószínűleg egyetlen pontban, egy szingularitásban található az összes anyag. Ezt nehéz elképzelni – és nem csak laikusként. Ha kicsit kevesebb volt a csillag tömege, akkor neutroncsillag lesz belőle, ami azonban – a fekete lyukkal szemben – még világít. Ezt úgy lehet elképzelni, mint egy atomnak a magját: az összes neutron – hiszen már csak ez maradt a nukleonokból – egy 10 kilométer sugarú atommagot alkot. Egy kávéskanálnyi, azaz körülbelül 1 köbcenti ebből az anyagból több százmilliárd tonna tömegű.
MN: Mi történik, ha két ilyen sűrű anyagból készült égitest összepréselődik?
Frei Zsolt: A rövid válasz az, hogy nem tudjuk, de két lehetőség közül választhatunk. Ha kellően nagy az együttes gravitációjuk, akkor a két neutroncsillag egy fekete lyukká tömörül, vagy ha ezt a szintet nem éri el, akkor egy másik, nagyobb neutroncsillag marad vissza. Sajnos ezt már megfigyelni sem tudjuk. Egy ilyen távoli galaxisban, ahol ez a felvillanás történt, majd elhalványult, az egyes csillagokat már nem lehet megfigyelni.
Raffai Péter: Némely előző LIGO-észlelésnél, habár nem mindegyiknél, ahol fekete lyukak olvadtak össze, a visszamaradt jel alapján meg lehetett mondani, hogy fekete lyuk keletkezett. Ennél az esetnél az a probléma, hogy a neutroncsillagok, amelyek összeolvadtak, csupán kicsi tömegűek. Márpedig ilyen kis tömegű kettős rendszernél csupán az egymásba gabalyodást, a „bespirálozódási” folyamatot látjuk, ennek a gravitációs hullámjelét érzékeljük. Magát az összeütközést és a visszamaradó objektum utócsengését már nem, mivel ez olyan magas frekvencián bocsát ki gravitációs hullámokat, amelyekre már nem érzékenyek a detektoraink.
MN: Sikerült több obszervatóriumnak is analizálnia spektroszkópiai módszerekkel az utófényt és a vasnál nehezebb elemekre, nemesfémekre (arany, platina) jellemző színképvonalakat találtak. Ha jól tudom, máig is kérdés, hogyan keletkezhettek az univerzumban a vasnál nehezebb elemek.
Frei Zsolt: Már tudni véljük, hogyan jöttek létre a nehezebb elemek, de még nem eléggé pontosan. Most azt gondoljuk, hogy az ősrobbanás nyomán, amikor a nagyon forró plazma kihűlt és létrejöttek az atommagok, 75 százalékban hidrogén és 25 tömegszázalékban hélium keletkezett. Ezeknél nehezebb elemek kevesebb mint 1 százalékban jöttek létre, főleg a periódusos rendszerben utánuk következő lítium. Az összes többi nehéz elem a vasig bezárólag a csillagok belsejében keletkezik a fúzió során egy megfelelő láncolat szerint. A vasnál nehezebb elemek egyetlen esetben keletkezhetnek: a szupernóva-robbanás pillanatában. Amikor ennek során az összes anyag neutronokká préselődik, akkor rengeteg neutrínó szabadul fel, ami elviszi a termelődő hatalmas energia egy részét, ezek pedig a csillagok külső rétegében található anyagon áthatolva aktiválják, szakszóval transzmutálják az itt található viszonylag már nehezebb elemeket, s ebből keletkezik ott egy pillanat alatt az összes nehéz elem.
MN: A transzmutáció kifejezés az alkímiából jön, ott is arra utal, hogyan tud a beavatott a kevésbé nemes anyagokból, például vasból, kénből aranyat csinálni.
Frei Zsolt: Márpedig ami aranyat látunk, az nem a Földön keletkezett, nem is a vulkánok mélyén préselődött össze, hanem sok milliárd évvel ezelőtt egy másik csillag felrobbanása során keletkezett, s így került a mi Naprendszerünkbe. Tíz éve merült fel először, hogy neutroncsillagok összeolvadása során is majdnem olyan kataklizma történik, mint egy szupernóva-robbanáskor, és itt is keletkezhetnek nehezebb elemek, főleg a neutroncsillagok könnyen aktiválható anyagban gazdag környezetében. Ahogy ön utalt is rá, spektroszkóppal ki lehetett mutatni, hogy a most észlelt esemény során is keletkeztek nehéz elemek, arany és platina is.
MN: Mekkora volt az esélye annak, hogy sikerül elcsípni egy ilyen kataklizmát? Mennyire gyakoriak az ilyen események?
Frei Zsolt: Egyelőre még azt sem tudjuk, hogy naponta vagy évente fordulnak-e elő, ez majd akkor fog kiderülni, ha többet látunk és még érzékenyebb lesz a LIGO. Én korábban még azt gondoltam, hogy két-három év múlva tartunk majd ott, hogy legalább egyet látni fogunk. De sokkal hamarabb sikerült, mert véletlenül nagyon közel történt.
MN: Az érzékenység növelését szolgálja, hogy most több hónapra leállították a LIGO-detektorokat, s csak jövőre folytatódik a méréssorozat?
Frei Zsolt: Pontosan. Ezt eleve így terveztük: nyár végén lezárul egy adatgyűjtési szakasz, s ezt követően egy egész évet dolgozunk a műszeren, hogy érzékenyebb legyen.
MN: Egymástól függetlenül három magyar tudományos közösség is közreműködik a LIGO vagy az európai Virgo programokban. Önök a LIGO programjában vesznek részt…
Raffai Péter: Ahogy a LIGO és Virgo együttműködik, ugyanez vonatkozik a magyar csoportokra is. Magyarországon két olyan csoport van, amelyek a LIGO kollaboráció tagjai, mi itt az ELTE-n és egy másik team a szegedi egyetemen. Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontban pedig működik egy csoport, amely a Virgóval dolgozik együtt.
MN: Kinek mi a feladata?
Raffai Péter: Ez a három csoport alapvetően más-más területen dolgozik. A szegedi csoport és a Wigner Kutatóközpontban működő team például nagyon intenzíven foglalkoznak a kettősökkel, mint a gravitációs hullámok egyik forrásával. Mi pedig gravitációshullám-kitörésekre fókuszálunk.
MN: Kinek a profiljába vágott inkább a mostani esemény?
Raffai Péter: Egy ilyen kettős rendszer olyan jeleket is kibocsát, amelyek az ő profiljukba vágnak és olyanokat is, amelyek inkább a miénkbe. Ez gyakorlatilag azon múlik, hogy az egymás körüli keringésük melyik fázisából származik a jel. Amíg egymás körül keringenek egyre gyorsuló mozgással, addig egy viszonylag jól kezelhető, leírható hullámforma jelentkezik, ami sokkal pontosabban kereshető is: ezzel foglalkozik a két másik magyar kutatócsoport. Amikor a folyamatok bonyolulttá válnak, akkor jelentkeznek a gravitációshullám-kitörések, amelyeket nem lehet egyszerűen leírni, és egészen más keresési technikákra is van szükség – ahogy másfajta adatkiértékelés is folyik, és a források tulajdonságait is máshogy becsüljük meg. Az egymás körül keringő rendszereket könnyebb megtalálni, de éppen azért, mert jól ismert a hullámformájuk, kevesebbet is tanulunk ezekből a jelekből, mintha egy olyan gravitációshullám-jelet találunk, aminek előre nem ismert pontosan a hullámformája.
MN: Ha jól sejtem, a mostani egy ilyen komplikált gravitációshullám-jel volt.
Raffai Péter: A legutóbbi esemény két neutroncsillag összeolvadásából, ütközéséből származó gravitációshullám-jel volt, ez inkább a mi csoportunk számára releváns. Habár itt is van a két égitest mozgásában egy bespirálozódó szakasz, amikor a feketelyuk- kettősökhöz hasonló jelet bocsátanak ki, itt azonban a két neutroncsillag összeütközésük során fényjelet, elektromágneses sugárzást is kibocsát, ráadásul több hullámhosszon. Ezeket a fényjeleket sikerült észlelnie a csillagászoknak. Ahhoz, hogy ők minél gyorsabban megtalálják az ütközés sugárzási jelét, utófényét, szükség van a mi munkánkra itt az ELTE-n.
MN: Mi volt a pontos hozzájárulásuk a mostani észleléshez?
Raffai Péter: A mostani felfedezéshez kétféle módon is hozzá tudtunk járulni. Először is, az az égterület, amit a gravitációs hullámok alapján rekonstruálni lehet, még túl nagy ahhoz, hogy a csillagászok egyetlen felvétellel lefedjék, éppen ezért végig kell pásztázniuk, ami hosszú ideig tart. A munkájukhoz szükség van arra, hogy a LIGO–Virgo-kollaboráció prezentálja a szóba jöhető galaxisok listáját az adott égtérfogatból, ugyanis nemcsak a gravitációshullám-jel forrásának irányát, hanem annak távolságát is meg kell adni. Négy független felfedezőpartner is a mi galaxislistánkat használta az utófény felfedezéséhez. A másik hozzájárulásunk szintén a mi galaxiskatalógusunkkal kapcsolatos: a szóba jöhető forrásgalaxisok ismeretében és a gravitációshullám-jel észlelésével lehetséges egy becslést adni az univerzum tágulásának ütemét jellemző Hubble-állandó értékére.
MN: Az első gravitációshullám-észlelésnél még azt hangsúlyozták, hogy Einstein általános relativitáselméletének egy további következtetését sikerült igazolni egy újabb kísérlettel. Most viszont azt hangsúlyozzák, milyen új felfedezésekhez vezethet a csillagászatban.
Frei Zsolt: Eddig is két különböző okból kerestünk gravitációs hullámokat. Mindig is akadtak olyanok, akik az általános relativitáselmélet szempontjából dolgoztak ezen a kísérleten. Ki kéne mutatni ezt a jelenséget, hogy kipipálhassuk: az általános relativitáselmélet ezen predikciója is helyes. Mi asztrofizikusként – s most kettőnk nevében is beszélek – arra várunk, hogy legyen egy új eszköz a csillagászatban.
MN: A LIGO-t sok százmillió dollárba került létrehozni – a változó amerikai tudománypolitika tükrében mennyire biztosított a kutatási terv finanszírozása?
Frei Zsolt: Ez a legnagyobb tudományos projekt, amit az amerikai National Science Foundation – a mi OTKA-nkhoz hasonlóan működő szervezet – az adófizetők pénzéből finanszírozott. Hatalmas vita övezte a létrehozását, s végül 1992-ben döntött úgy az NSF, hogy támogatja. Én pont 1990 és 1994 között írtam a PhD-met Princetonban, ott is óriási vita zajlott az asztrofizika tanszéken belül, hogy miért kell ekkora összeget adni egyetlen projektnek, amely – legalábbis sokan így érezték – sok kis projekt elől veszi el a pénzt (a kezdeti 300 millió dolláros befektetésen túl évente 30 millióval támogatja a projektet az NSF – a szerk.). Negyedszázad munkájába tellett felépíteni, majd az eredményekkel meggyőzni az asztrofizikus-közösséget arról, hogy ez a befektetés kifizetődik. Nyilvánvalóan a sikerek nyomán némileg nyugodtabban ülök itt, remélve, hogy úgyis fogják finanszírozni a jövőben, de ebben soha nem lehetünk biztosak. Mivel publikusan is nagy sikere, komoly visszhangja van a felfedezéseknek, a helyzet most sokkal könnyebb, mint negyedszázada.
| Névjegy Frei Zsolt az ELTE Fizikai Intézetének igazgatója, az asztrofizika professzora, az Eötvös Gravity Research Group vezetője. Raffai Péter az ELTE Fizikai Intézet atomfizikai tanszékének adjunktusa. Mindketten az ELTE LIGO tagcsoportjának tagjai (ligo.elte.hu). |
| A gravitációs hullám A téridő görbületében jelentkező fodrozódás, változás, mely hullámszerűen terjed tovább. Albert Einstein általános relativitáselmélete jósolta meg. Gyorsulva mozgó, tömeggel bíró objektumok gerjesztik, már ha a mozgásuk nem teljesen gömb- vagy hengerszimmetrikus. |
