A gravitációs hullámok kutatásáról

A rajz bemutatja, hogy két fehér törpe spirális mozgásakor milyen gravitációs hullámok jöhetnek létre.
Illusztráció: NASA

Az Egyesült Államokban működő Advanced LIGO nevű rendszer érzékenységét 2015 őszén jelentősen megnövelték. Milyen eredmények várhatók az új adatokból? Miért lenne alapvető fontosságú a gravitációs hullámok felfedezése? Hogyan vesznek részt magyar kutatók az Advanced LIGO kísérleteiben?

A LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) berendezés, egy gravitációshullám-detektor, melynek feladata, hogy direkt módon kimutassa a gravitációs hullámokat. A detektor valójában egy lézeres interferométer. „A két kar (egymásra merőleges, 4 km hosszú) végein tükrök vannak, melyek közt lézerfény szaladgál. Végül a rendszerből kivezetett fénycsóvák összetalálkoznak (interferálnak), és a fény hullámtulajdonsága miatt ezek a hullámok erősítik vagy gyengítik egymást. A kapott intenzitásból tudunk következtetni a karok rövidülésére, illetve hosszabbodására, amiből végső soron arra kapunk választ, hogy áthaladt-e gravitációs hullám a detektoron” – magyarázza Frei Zsolt.

LIGO kutatóközpont
Fotó:Caltech/LIGO Laboratory

Gravitációs hullám akkor keletkezik, ha egy fizikai rendszer a gömbszimmetriától jelentősen eltér, és az eltérést kifejező ún. kvadrupól-momentum időben nemlineárisan változik. Az általános relativitáselmélet szerint a gravitáció nem más, mint a téridő görbülete. A gravitációs hullám pedig a görbületben jelentkező, fénysebességgel terjedő, periodikus perturbáció (módosulat). A LIGO-ban folyik az észlelés, az adatok feldolgozása és a források modellezése. Rendszeres közvetlen észlelésük teljesen új információkkal szolgálna a csillagokról, a galaxisokról, a fekete lyukakról. Az ősrobbanás is egy gravitációs hullámforrás, ha sikerül észlelni, akkor megfejthető lesz, mi történt az ősrobbanás pillanatában.

Frei Zsolt tanszékvezető egyetemi tanár, az Eötvös Loránd Tudományegyetemen működő MTA Lendület asztrofizikai kutatócsoport vezetője az mta.hu-nak elmondta: a LIGO – kétéves átépítési szakasz után – 2015 szeptemberében kezdte újra a méréseit.

„Úgy gondoljuk, hogy a behangolási időszak végére, amely akár két-három évet is igénybe vehet, a műszer érzékenysége eléri azt a határt, amellyel minden bizonnyal megtörténhet a gravitációs hullámok felfedezése” – mondta Frei Zsolt.

A felfedezéshez elengedhetetlen, hogy lecsökkentsék a műszereket zavaró zajokat. Ugyanis minden környezeti tényező  ̶  akár az, hogy elsétál valaki a detektor közelében  ̶  sokkal nagyobb rezgést tud okozni, mint a gravitációs hullámok. Ezeket olyan szintre kellene csökkenteni, hogy a keresett jel erőssége nagyobb legyen, mint a külső zavaroké. Frei és kutatócsoportja olyan zajszűrő műszert épített, amelyet már most is használnak a LIGO-nál.

„Mi egy úgynevezett infrahang-detektort készítettünk, amellyel képesek vagyunk a levegőben terjedő alacsony frekvenciás hangokat kiszűrni. Erre nagy szükség van, ugyanis ezek a hullámok képesek behatolni az épületbe és megrezegtetni a falakat, berendezéseket. Vulkánkitörések, villámlások a távolban vagy egy közeli szélerőmű is képes ilyen alacsony frekvenciás morajlásokat kibocsátani” – mondta a szakember.

Mit várnak a kutatók a gravitációs hullámok felfedezésétől, illetve később a rendszeres észlelésüktől? „Nekem mint asztrofizikusnak az izgalmat a rendszeres megfigyelés jelenti, ekkor ugyanis új mérési eljárás lesz a kezünkben. Más fizikát látunk majd, mint amit az optikai, röntgen- vagy rádiótávcsöveinkkel, ezekben az esetekben ugyanis az elektromágneses spektrum különböző hullámhosszait tudjuk megfigyelni. A gravitációs hullám azonban nem az elektromágneses, hanem a gravitációs kölcsönhatásból származik. Vegyünk példának két összeolvadó fekete lyukat. Ebből a „rendszerből” nem tud kijutni a fény, így számunkra láthatatlan marad az esemény. Az összeolvadás gravitációs hullámjele azonban igen erős lesz  a gyorsuló mozgás és a hatalmas tömegek miatt” – mondta Frei Zsolt.

A Frei Zsolt, asztrofizikussal készült interjú teljes szövegét az MTA honlapján olvashatják.