Gravitációs hullámok: „Januárban még nem mondhattam meg”
LISA-waves.jpg

Interjú

Gravitációs hullámok: „Januárban még nem mondhattam meg”

Frei Zsolt asztrofizikus

Tudomány

A gravitációs hullámok felfedezése önmagában is rendkívül izgalmas fejlemény, ráadásul további, az univerzum szerkezetére, összetételére vonatkozó kutatásokat inspirálhat, s a méréseket hamarosan már az űrben végezhetjük. Erről is beszélt nekünk a felfedezésben aktívan részes magyar kutatócsoport vezetője.

Magyar Narancs: A mostani felfedezés három szempontból is szenzáció: egyrészt a gravitációs hullámok direkt észlelése ismét csak igazolja Einstein általános relativitáselméletét, másrészt bizonyítékot szereztünk két fekete lyuk nagyon régen, nagy távolságban történt fúziójáról, ami példátlanul nagy energiafelszabadulással is járt. Törvényszerű volt, hogy éppen mostanra érett be a kutatómunka?

Frei Zsolt: A történet 101 éve kezdődött, hiszen Albert Einstein 1915-ben publikálta az általános relativitáselméletről szóló tanulmányát. Száz éve tudjuk, hogy mivel a gravitáció egy nagyon gyenge kölcsönhatás, a hétköznapokban, kisebb méretű tárgyak között nem nagyon észleljük a jelenlétét; mindenesetre sokkal gyengébb az ereje, mint a szintén alapvető elektromágneses kölcsönhatásé. Maga Einstein is azt gondolta, hogy az emberiség valószínűleg soha nem tudja majd kimérni a gravitáció hullámzását – és valóban, a tudománynak nem sikerült direkt módon detektálni a gravitációs hullámokat. A 80-as években merült fel az ötlet, hogy azzal a módszerrel, ami most is sikerre vezetett, azaz úgynevezett lézer interferométerekkel próbáljunk meg gravitációs hullámokat keresni. Ez lett az Egyesült Államokban két helyszínen is megépült LIGO (Lézer Interferométer Gravitációs Hullám Obszervatórium). Obszervatóriumonként két nagyon hosszú, egymásra merőleges kart kell elképzelnünk: amikor érkezik a gravitációs hullám, akkor az egyik kicsit megrövidül, a másik meghosszabbodik. Mindkét karban lézerfénnyel mérjük a hosszúságot, a két lézerfény interferenciája pedig kimutatja ezt a hosszúságváltozást – ez a lézer-interferométer működésének lényege. Több kilométer hosszú karokat kellett építeni, teljes vákuumot létrehozni a belsejében és benne nagyon erős lézerfényt alkalmazni, nagyon sok fotont ütköztetni a karok végén található tükrök között, melyeket tökéletesen simára kellett legyártani. Úgy gondoltuk, ha az összes külső zavart, szeizmikus rezgést, nyomáskülönbséget, infrahangot, hőmérséklet-változást, elek­t­­ro­mágneses zajokat is ki tudjuk küszöbölni, akkor talán egyszer elérhetünk ezzel a módszerrel arra az érzékenységre és pontosságra, hogy ezt a rendkívül kis térszerkezet-változást észlelni tudjuk. Az érzékenység, amire szükségünk van, 10–21 nagyságrendű, azaz egy méter rúdnak ebben a nagyságrendben kell megváltoznia – ez hat nagyságrenddel kisebb, mint egy proton átmérője, annak a milliomodrésze. A mai módszerekkel ilyen távolságot nehéz mérni: úgy is szoktam illusztrálni, hogy ará­nya­­iban, ilyen nagyságrenddel a Nap és a Föld távolsága egyetlen atom átmérőjével változik meg, a Nap és a legközelebbi, 4 fényévnyire található csillag távolsága egy emberi hajszálnyit. Látható tehát, milyen kicsiny léptékekről beszélünk: az így összemért égitestek felszíne sincs egy hajszál, pláne egy atom méretének pontosságával definiálva. Ugyanez a probléma a 4 kilométeres karokban a LIGO-ban: a tükör felszíne, ami atomokból áll, melyek rá­adásul rezegnek is, nincsenek az atommag átmérőjénél egymilliószor pontosabban definiálva. A mérés csak úgy lehetséges, ha minden másodpercben nagyon sok foton, 1023 nagyságrendben halad oda-vissza a tükrök között és a kollektív mozgásból átlagoljuk ki, hol van a front, és átlagosan hol lehet a tükrök felszíne. Ehhez nagy vákuum, nagy lézer és jó izoláció kell.

MN: Mikortól működik a LIGO?

FZS: A LIGO-projekt 1992-ben kapott pénzt az USA-ban arra, hogy elkezdjék építeni az obszervatóriumokat, 1997-ben jött létre a kutatáshoz szükséges nemzetközi tudományos együttműködés. 2000-ben készült el a műszer és utána kezdtek el méréseket végezni. Mi az első hosszabb mérési kampány alatt, 2007-ben csatlakoztunk e tudományos kollaborációhoz. Sok olyan csoport vett részt a munkában, mint az általam az ELTE-n létrehozott Eötvös Gravity Research Group, melynek vannak debreceni tagjai az ATOMKI-ból és voltak szegedi tagjai – ez a kétfős csoport különvált, és azóta önálló tagok. Én 2007-ben gondoltam azt, hogy 2000 és 2007 között a rövid mérési periódusokkal és a technikai fejlődéssel, amely töretlennek bizonyult, a LIGO bizonyította, hogy tudja tartani azt a tempót, amit korábban ígért. A National Science Foundationnek, akiktől pénzt kértek a 90-es években, vázolták egy görbén, hogy tíz év alatt hogy fog nőni a műszer érzékenysége, például zajcsökkentéssel: 2007-ig ezt az ütemet tartani is tudták. Már ekkor lehetett tudni, hogy ha 2010-ig folytatják, még akkor is alatta marad a gravitációs hullámok amplitúdója annak, ahová ők akkor érzékenységben elértek. De a görbe később is töretlen maradt, és úgy gondoltam, hogy 2015 körül eljuthatunk arra az érzékenységre, ami elegendő ahhoz, hogy érzékelni tudjunk egy numerikus relativitáselméleti szimulációk alapján jól kalkulálható gravitációs hullámot, amit mondjuk egy kettős fekete lyuk okoz. Kevéssé odafigyelő kollégáim 2016 januárjában elkezdtek azzal piszkálni: „Na mi van, Zsolt? Azt ígérted öt évvel ezelőtt, hogy 2015-ben megtörténik a felfedezés!” Erre csak bólogattam és odébb sétáltam a folyosón, mert januárban még nem mondhattam meg, hogy meg is történt a felfedezés, mégpedig 2015 szeptemberében, hiszen ezt idén február 11-ig titokban kellett tartanom.

false

 

Fotó: Sióréti Gábor

MN: Magyar kutatók az ön által is hangsúlyosan emlegetett zajszűrésen dolgoztak. Pontosan milyen zajokat kellett kiszűrni?

FZS: A magyar hozzájárulás – nagyon picike, természetesen – többek között az infrahangmikrofonok kifejlesztését, legyártását és az obszervatóriumokban való felszerelését foglalta magában. Az infrahang olyan alacsony frekvenciájú hang, amit mi nem feltétlenül hallunk – 20 vagy 10 hertz alatti. De a hang levegőben terjedés közben tapasztalt csillapodása fordítottan arányos a hullámhosszal, tehát a nagyon nagy hullámhosszú hanghullámok alig csillapodnak, a kisebb hullámhosszúak sokkal jobban.

MN: Ilyen infrahangok keletkeznek villám­csapásoknál vagy vulkánkitöréseknél?

FZS: Igen, de mondok egy jobb példát: az űrrepülőgép felszállása, amelynek egyszer én is tanúja voltam Floridában, hatalmas robajjal jár. Még 4 kilométerről is ijesztő a ropogás – de ez a gyorsan csillapodó, magas frekvenciájú hangeffektus. Az alacsony frekvenciájú, hosszú infrahanghullám viszont hétszer megkerülte a Földet, mielőtt végleg lecsillapodott volna. Los Alamosban még az 50-es években fejlesztették ki azt a technológiát, amit mi – Szokoly Gyula kollégám vezetésével – utánoztunk, és a modern elektronikával újra megvalósítottunk. Ez arra szolgált, hogy az amerikai kísérleti nukleáris központban meghallgathassák, hogy a szovjetek titokban, az atomcsend-egyezményeket megsértve végeznek-e nukleáris kísérleti robbantásokat mondjuk Novaja Zemlja fölött. Ezt a Föld másik feléről egy infrahangmikrofonnal ellenőrizni lehet: az általunk hallhatatlan alacsony robaj a mikrofonok számára ott is érzékelhető. A LIGO-ban is az a probléma, hogy ezek az alacsony frekvenciás hangok képesek megrezegtetni a falakat és az ablakokat is, azaz gyakorlatilag behatol az épületbe az infrahang, eközben egészen közel kerül ahhoz a berendezéshez, vákuumkamrához, ahol maga a lézeres mérőberendezés található. „Nézik” tehát a mikrofonok az infrahangot és néha beriasztanak: itt olyan erős infrahangjelet észleltek az adott időszakban, hogy hiába mutat valamit a gravitációs hullám detektor, azt ilyenkor nem szabad figyelembe venni. Olyan nincs, hogy ezt a hatást kiszűrjük belőle: ezek sokkal nagyobb zajok, mint az effektus, amit keresünk, így igazából csak vétózásról lehet szó. Ha a nyomás, a hőmérséklet változik, vagy az elektromágneses jelekben érzékelünk valami nagyon erős ingadozást, már­is azt mondjuk, hogy vétó, és a mért jeleket nem lehet használni. Nagyon széles körű munkánk egyik része az, hogy ilyen infrahang-detektort készítettünk. Igazából arról van szó, hogy a LIGO Tudományos Együttműködésnek temérdek feladata van: a mérések végzésétől, az adatgyűjtéstől kezdve az adatok kiértékelésén túl cikkek megírásán keresztül a közzétételig. A nagy amerikai kutatási központok, az MIT és a Caltech által létrehozott LIGO Laboratory, amely a pénzt kapta és megépítette Louisianában és Washington államban az obszervatóriumokat, csupán a műszert adja a tudományos együttműködéshez, de a működtetés, az adatgyűjtés, a feldolgozás és minden más már a tudományos együttműködés része. Kollégám, Raffai Péter ott ült a számítógép előtt és nyolcórás műszakokban vezette a mérést, diákjaim innen a távolból folytatnak minőségi monitorozást. Ő a doktorandusz diákom volt, én pedig a témavezetője, amikor kifejlesztettünk két olyan adatkiértékelő eljárást, ami a 18 adatkiértékelő eljárás közül kettőbe be is épült: ezzel próbáljuk a sok zajból kihámozni azt a néha megjelenő jelet, amire vadászik a tudományos közösség. Szintén Raffai kollégám számolta ki, hogy ha a LIGO, amint az tervbe is van véve, felépít Indiában egy harmadik detektort, akkor milyen legyen az elhelyezése, tájolása, hogy a másik kettővel együtt a legérzékenyebb hármast tudja alkotni. Azt is megemlíthetem, hogy a ligo.elte.hu magyar nyelvű weboldal az angol és spanyol után a harmadik, amire az egész weblaprendszer le lett fordítva.

MN: A gravitációs hullám észlelése még tavaly szeptemberben történt – miért kellett várni a nyilvánosságra hozatallal? Biztosra akartak menni?

FZS: Az Egyesült Államok kormánya két évtized alatt egymilliárd dollárt szánt erre a kísérletre, ez volt és mind ez idáig ez a legnagyobb költségvetésű kísérlet, amit a kormányzat a National Science Foundationön keresztül finanszírozott. Ráadásul ezernyi ember több mint húsz évet dolgozott a projekten. Ilyen körülmények között nem szabad a tudományos szavahihetőségünket eljátszani. Nem lehet azt csinálni, hogy kiértékeletlenül és megvédhetetlenül, de gyorsan közzéteszünk valamit, amiről azután a tudományos közvélemény gyorsan kimutatja, hogy hibás volt. Elrettentő példaként ott volt a BICEP2 nevű kísérlet 2014-ben, melynek nyomán azt állították, hogy az Antarktiszon elhelyezett rádiótávcsövekkel, melyek alapvetően a kozmikus háttérsugárzás miatt kémlelik az eget, olyan polarizációs állapotokat észleltek, ami arra utal, mintha azt egy sztochasztikus gravitációs hullám háttér okozta volna. A sajtótájékoztató után egy évvel kiderült, hogy ezt a jelenséget a kozmikus por okozza és nem gravitációs hullámok. Megjegyzem, ez is egy indirekt mérés lett volna, mint Hulse-é és Tayloré, akik még 1974-ben úgy találták, hogy egy pulzár és egy neutroncsillag egymás körüli keringése azért lassul le, mert energiájának egy része gravitációs hullámokká alakul. Ők ezért 1993-ban meg is kapták egyébként a Nobel-díjat. Mi úgy gondoltuk, végig kell menni a teljes kiértékelési szakaszon, és holtbiztosnak kell lenni abban, hogy nem tévedünk. Utána meg kell írni a cikket, be kell küldeni, meg kell várni, amíg megjönnek a bírálatok és el is fogadják az állításainkat. Amikor megjelenik a már elfogadott cikk, aznap tartunk sajtótájékoztatót. Azt gondoltuk, hogy ezt az egészet titokban tartjuk: azért volt szükség erre a féléves embargóra, hogy semmi ne kerüljön ki a sajtóhoz, mert akkor már olyan nyomás került volna ránk, ami megakadályozza, hogy tisztességesen elvégezzük a tudományos munkát. Vagy azt kell mondanom az újságírónak, hogy nem fedeztünk fel semmit, és akkor bolondot csinálok magamból, amikor két hónap múlva bevallom, hogy de, mégis. Vagy azt kell mondanom, igen, felfedeztünk valamit, és esetleg elkapkodjuk a bejelentést.

MN: E felfedezésnek igen nagy az asztrofizikai jelentősége. A gravitációs hullámok észlelése alkalmat kínál olyan objektumok és kozmológiai jelentőségű változások felmérésére, melyek az univerzum nagyon távoli pontjain zajlanak. Mik keltenek tipikusan gravitációs hullámokat? Mit kell keresnünk ezután?

FZS: Azt szoktam mondani, hogy ez a felfedezés új ablakot nyit az univerzumra, mert a gravitációs hullám gravitációs kölcsönhatáson alapul. Az összes többi dolog, amit eddig a csillagászok valaha fölmértek az univerzumban, az elektromágneses kölcsönhatáson alapult. A látható fény, az infravörös, az ultraibolya sugárzás, a rádió-, a röntgen- vagy a gammasugárzás mind az elektromágneses spektrum egy-egy szűkebb tartományából érkeznek. Egy fekete lyukat nem észlelhetek ilyen módon, mert olyan kompakt, hogy az erős gravitációja miatt még a fotonok sem tudják elhagyni. Ha van két fekete lyukam, és azok egymás körül keringenek, azt még mindig nem látom. Viszont van gravitációs hullámjele! Az asztrofizikában nagyon fontos kérdés, hogy milyen sűrűn történnek ezek az összeolvadások. A csillagfejlődésről, a galaxisok, sőt az egész univerzum evolúciójáról sok mindent meg tudunk állapítani ezek segítségével. Jó kérdés, hogy milyen jeleket kereshetünk; egyelőre csak elképzelni tudjuk, mert a mostani mérést megelőzően soha nem észleltünk ilyeneket. Mi, asztrofizikusok kitaláljuk, hogy körülbelül milyen asztrofizikai folyamat járhat mérhetően nagy gravitációs hullámkibocsátással, amit esetleg észlelni tudunk. Azután azt is kiszámoljuk, hogy ennek milyen lehet a jelalakja, és rendelkezésünkre áll körülbelül 18 darab szoftver, ami fut ezen az adatfolyamon és keresi a megfelelő jeleket. A LIGO igazából négy csoportra osztja a munkát: mi az úgynevezett burst csoportban dolgozunk, mely kitörések vagy felvillanások észlelésére szakosodott. Egy szupernóva-robbanás vagy egy csillapodó csillagrengés például ilyen gravitációs jelet okoz. Rövid ideig tartó, azután eltűnő jeleket keresünk. Ezt a mostani feketelyuk-összeolvadást is ez a csoport találta meg, mivel összesen csak két tizedmásodpercig tartott az egész, így ezt is egy felvillanásnak lehet tekinteni. Egy másik csoport kifejezetten a kompakt objektumok, kettősök összeolvadásából származó jeleket keresi, mint amit most is találtunk. Ezek lehetnek neutroncsillag-neutroncsillag kettősök, neutroncsillag-fekete lyuk, vagy fekete lyuk-fekete lyuk párosok. A harmadik csoport célpontja a folyamatos, azaz kontinuum hullámzás. Mondok egy egyszerű példát. Ha adott valami nem szabályos gömbszerű objektum, például van egy pörgő neutroncsillagunk, amin van egy dudor, akkor az gyorsuló mozgást végez, így ez folyamatos, állandó frekvenciájú gravitációs hullámzást kelt. A negyedik csoport az úgynevezett sztochasztikus, felbontatlan hátteret keresi, a zavart, amit még az ősrobbanást kelthetett. Attól, hogy mi itt ülünk, és a Föld forog, bolygónk maga is kibocsát gravitációs hullámok formájában 300 watt teljesítményt, mivel nem teljesen gömbszerű. Ez rendkívül kicsi gravitációs hullámforrás, erre nem is érzékenyek a műszereink. Kiszámoltuk azt is, hogy ha egy motoros megrázza az öklét az úton, mert dühös lesz valakire, az harminc nagyságrenddel kisebb gravitációs hullámzást kelt, mint amit jelenleg érezni tudunk.

MN: Mit tudunk a terjedési sebességükről?

FZS: Azt gondoljuk, hogy a terjedési sebességet be tudjuk szorítani egy szűk intervallumba, amely szerint legalábbis nagyon közel kell lennie a fénysebességhez.

MN: Sokan megfogalmazták a mostani felfedezés kapcsán, hogy új asztrofizikai felfedezéseket is várhatunk a közeljövőben. Kip Thorne például, aki a LIGO egyik szellemi atyja – a nagyközönség többek között a Csillagok között című film szakértőjeként ismerheti –, úgy fogalmazott, hogy eljött az idő az univerzum csavarodott, torzult (warped) oldalának felfedezéséhez; olyan objektumokra és jelenségekre utalt, melyek a meggörbült téridőből eredeztethetők. Milyen eddig ismeretlen asztrofizikai jelenségekre utalhatott?

FZS: Kip Thorne ezen a sajtótájékoztatóján maga is kiemelte, hogy az ütköző fekete lyukak és a gravitációs hullámok a téridő csavarodásának első csodálatos példái. Kutatásaimban én is olyan extragalaktikus fekete lyukakkal foglalkozom, melyek több összeolvadáson mentek keresztül, s melyeknek nagy a jelentősége az univerzum felépítése, története szempontjából. Azt már tudjuk, hogy a galaxisok középpontjában szupernehéz fekete lyukak találhatók, egy ilyen rejtőzik a mi galaxisunk középpontjában is; ennek tömege négymilliószorosa a mi napunkénak. Arról is vannak adataink, hogy a galaxisok gyakorta ütköznek és ennek során a középpontjukban található fekete lyukak is összeolvadnak. Két összeolvadó szupernehéz fekete lyuk sokkal lomhábban viselkedik, mint az a páros, melynek egyesülését tavaly detektáltuk, és emiatt sokkal hosszabb gravitációs hullámokat gerjesztenek, mint amilyeneket a LIGO észlelt. Mivel ezek érzékelésénél az obszervatórium karjai arányosak a fogni kívánt hullámhosszal, így itt már több millió kilométeres hosszúságú obszervatóriumokra lenne szükség. Ezt a célt szolgálja az Európai Űrügynökség (ESA) speciális LISA-, illetve eLISA-programja (Fejlett Lézer-interferométer Űrantenna), melynek a keretében három űreszközt bocsátanának fel, melyek egyenlő oldalú háromszög alakban, az eredeti program szerint egymástól ötmillió kilométeres távolságban keringenének a Nap körül. Ehhez képest a tükör, melyet az egyes szondákból kibocsátott lézerfénnyel el kéne találni, egyméteres átmérőjű volna: az az érdekes, hogy ötmillió kilométeres távolságból ezt az egyméteres célt simán el is lehet találni. A megvalósítás már csupán pénzügyi kérdés: attól függ, hogy az ESA és a NASA mikor finanszírozza a programot. Utóbbi egy idő után úgy döntött, kiszáll ebből a programból, és inkább egy, a sötét energiát kutató űrszondát fog pályára állítani. Azóta az ESA egymaga folytatja a LISA fejlesztését, és azt gondolom, hogy az újabb eredmények, a gravitációs hullámok felfedezése nyomán ismét erre a tudományterületre terelődik a figyelem, a következő tíz évben az amerikai kormányzat is felülvizsgálja majd az álláspontját, és a NASA anyagilag is vissza fog szállni a programba. Bízom abban, hogy bő tíz év múlva, talán még a következő évtized vége előtt rendelkezésünkre áll egy, a gravitációs hullámok észleléséhez szükséges űrantenna is, amivel már másfajta fekete lyukakról fogunk még többet megtanulni.

Kislexikon

Téridő: Olyan matematikai modell, amely egy sokaságban egyesíti a teret és az időt, így ábrázolva a világegyetem szerkezetét. A téridő általában egy négydimenziós koordináta-rendszer, három tér- és egy idődimenzióval; a rendszer pontjai egy-egy eseménynek felelnek meg.

Általános relativitáselmélet: A gravitáció Albert Einstein kidolgozta elmélete, melynek alapja az ekvivalenciaelv, amely a gravitációt és a gyorsulást ugyanazon dolog kétféle aspektusaként írja le. Ebből az elvből következik, hogy lesznek olyan vonatkoztatási rendszerek, amelyek nem euklideszi geo­metriával rendelkeznek: azaz a téridő a tömeg hatására meggörbül, és a gravitáció csupán ennek a geometriának a következménye.

Gravitációs hullám: A téridő görbületében jelentkező fodrozódás, változás, mely hullámszerűen terjed tovább, s amelyet Albert Einstein általános relativitáselmélete jósolt meg. Tipikusan gyorsulva mozgó, tömeggel bíró objektumok gerjesztik – már ha mozgásuk nem teljesen gömb- vagy hengerszimmetrikus.

Névjegy

Frei Zsolt 1965-ben született Pécsett, a helyi Nagy Lajos Gimnáziumban érettségizett. Egyetemi tanulmányait Budapesten, az Eötvös Loránd Tudományegyetem fizikus szakán végezte. 1990 és 1994 között a Princetoni Egyetem doktorandusza, később két évig a Pennsylvaniai Egyetem vendégtanára. 2010-től az ELTE TTK Fizikai Intézete, Atomfizika Tanszéke tanszékvezető egyetemi tanára, közben az Eötvös Gravity Research Group (EGRG) vezetője. Kutatásai során főleg asztrofizikai témákkal, így többek között a galaxismagokból kilökődő fekete lyukakkal vagy a kozmosz kiterjedt üres tereivel (supervoid) foglalkozik, az EGRG vezetőjeként pedig részt vesz a LIGO gravitációs hullám kutatási projektjében.

Neked ajánljuk