Magyarok is vizsgálják az Univerzum születésének visszhangját

A fönti kérdés megválaszolásához egy lépéssel közelebb visz az egyik legtekintélyesebb tudományos szakfolyóirat, a Nature augusztus 20-i számában megjelent cikk (Felső korlát a kozmológiai eredetű gravitációshullám háttérsugárzás amplitúdójára), amelynek társszerzői magyar kutatók.

Gravitációs hullámok kimutatása
Hasonlóan a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzáshoz, az Ősrobbanás feltételezhetően gravitációs hullámok háttersugárzását is létrehozta, olyan hullámokét, amelyek a téridő finom torzulásaiként ma is kitöltik a világűrt, és információt hordoznak az Univerzum Ősrobbanást követő legkorábbi állapotáról. Ezeket a hullámokat vélhetően egy „véletlenszerű” eloszlású háttérként figyelhetnénk meg, olyan összképként, mint amilyennek egy víztükör sokféle irányból és különböző méretű hullámforrásaiból eredő fodrozódásait látjuk.

Einstein relativitáselmélete 1916-ban megjósolta a gravitációs hullámok létét. Az általános relativitáselméletnek azóta számos kísérleti bizonyítéka született: a „hőskorban” pl. a Merkúr bolygó pályájának részletes elemzése és megértése, a Nap mellett elhajló csillagfény, vagy az Eötvös-féle kísérletek igazolták az elmélet helyességét. Később Pound és Rebka kimutatta a gravitációs vöröseltolódást és Schmidt felfedezte a kvazárokat. A gravitációs hullámokat azonban közvetlenül még nem sikerült kimutatni. Annak ellenére sem, hogy közvetett kimutatásukért Hulse és Taylor 1993-ban Nobel díjat kaptak, mondható tehát, hogy a tudományos közvélemény elfogadottnak tekinti létezésüket. A bizonyítékok kereséséről persze nem mond le a tudomány, éppen e téren jelentős a magyar kutatók részvétele a nemzetközi asztrofizikai kutatások egyik legintenzívebben művelt ágában, a gravitációs hullámok kimutatását célzó eszközök kifejlesztésében.

A LIGO
Az amerikai támogatással, mintegy félmilliárd dolláros költségvetéssel épült Lézer Interferométeres Gravitációs Hullámokat vizsgáló Obszervatórium (LIGO) megfigyelései új korlátot szabnak az Ősrobbanásból megmaradt gravitációs hullámok erősségére, és ezzel az Univerzum keletkezésének elméletére is megkötést adnak.

A Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) elsősorban az USA kormányának az MIT és a CalTech egyetemeknek juttatott támogatásból épült. A detektorok üzemeltetését és az adatok kiértékelését a LIGO Scientific Collaboration (LSC) végzi, amelynek több tucat kutatócsoport, mintegy 700 kutató a tagja, közöttük magyar kutatók is.

2002 óta a LIGO és a GEO detektorok aktív keresést folytatnak a gravitációs hullámok után; a keresésbe 2007-ben a Virgo interferométer is becsatlakozott. A 2005-től 2007-ig tartó két éves mérési időszak adatainak elemzése minden eddiginél pontosabb korlátot szab arra a gravitációs háttérsugárzásra, amely az Ősrobbanás maradványaként feltételezhetően ma is megfigyelhető az Univerzumban. Ezzel lehetőség nyílt arra, hogy szigorúbb megkötéseket tegyenek azokra az elméleti feltételezésekre, hogy hogyan is nézhetett ki Világegyetemünk a születését követő legkorábbi időpillanatokban.

A véletlenszerű gravitációshullám-háttér mértékére eddig a legerősebb korlátot (méghozzá a legalacsonyabb frekvenciákon) a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás méréséből tudtak adni. A LIGO új mérése közvetlenül a gravitációshullám-hátteret tanulmányozza, az eddig elérhetőnél magasabb frekvenciákon is.

A hanfordi LIGO interferométer

Az eredményekhez felhasznált analízis a LIGO detektor interferométereinek ezidáig összegyűlt adatait dolgozta fel. Az interferométerek közül egy 2 km és egy 4 km karhosszúságú működik az Egyesült Államok Washington államában, Hanfordban, valamint egy szintén 4 km karhosszúságú a Louisiana állambeli Livingstonban. Ezekben az L-alakú interferométerekben egy-egy lézersugarat osztanak két nyalábra, amelyek azután oda-vissza verődnek a berendezések több kilométer hosszúságú karjaiban. Az újraegyesített két nyalábot az interferométerek karjai közötti hosszkülönbség mérésére használják fel.

Az általános relativitáselmélet alapján az interferométer egyik karja kis mértékben megnyúlik, míg a másik kissé összehúzódik, ahogy a berendezésen egy gravitációs hullám halad át. Az interferométert úgy építették, hogy az képes mindössze egy atommag átmérőjének ezred részének megfelelő távolságot is kimérni a karok egymáshoz képesti hosszváltozásában. Ennek a különleges érzékenységnek köszönhetően ezek a berendezések képesek ma próba alá vetni a korai Univerzum fejlődésének több modelljét, amelyek gravitációs háttérsugárzás létrejöttét jósolják.

A livingstoni LIGO interferométer

„Mivel ezidáig nem figyeltünk meg gravitációshullám-hátteret, immár kizárhatjuk azokat a létező korai Univerzum modelleket, amelyek viszonylag erős háttérsugárzást jeleznek előre.” – fogalmazott Vuk Mandic, a Minnesota-i Egyetem professzora. „Mostanra valamivel többet tudunk azokról a paraméterekről, amelyek az Univerzum fejlődését jellemzik mindössze egy perccel a Nagy Bumm után.” – tette hozzá.

A 2014-ben startoló Advenced LIGO segítségével, amely a mostani LIGO obszervatórium 10-szer érzékenyebbre fejlesztett változata, a tudósoknak lehetősége nyílik a jelenleginél 10-szer távolabbi forrásokból is megfigyelni az olyan kataklizmikus eseményeket, mint amilyen a fekete lyukak vagy neutroncsillagok ütközései.

A hanfordi LIGO kontrolszoba

„Az Advanced LIGO előtt további lehetőségek állnak, hogy a korai Univerzum modelljeit, a kozmikus húrok elméleteit, vagy a gravitációs háttérsugárzás más modelljeit próba alá vesse. A mostani eredményünket csupán első lépésnek tekinthetjük azon az úton, amely még előttünk áll.” – fogalmazott a professzor.

„Az Advanced LIGO óriási előrelépése a mostani berendezéseinkhez képest, hogy megnövelt érzékenységével az Univerzum 1000-szer nagyobb térfogatából lesz képes megfigyelni a galaxisunkon kívülről érkező gravitációs hullámok forrásait. Ez azt jelenti, hogy a Nagy Bumm gravitációs hullámait is nagyságrendekkel nagyobb érzékenységgel leszünk képesek kimérni.” – nyilatkozta a LIGO intézeti igazgatója, Jay Marx, a California Institute of Technology egyetem munkatársa.

„A gravitációs hullámok jelentik az egyetlen eszközt arra, hogy közvetlenül vizsgálhassuk az Univerzum születésének pillanatát, és e tekintetben a gravitációs hullámok teljes mértékben egyedülállóak. Egyszerűen nem áll rendelkezésre semmilyen más mód az asztrofizikában, amivel erről információ a birtokunkba kerülhet. Ez teszi részben a mostani eredményt, a gravitációshullám-fizikát pedig általában véve, annyira érdekessé.” – fogalmazott David Reitze, a Floridai Egyetem fizikaprofesszora, a LIGO nemzetközi együttműködés szóvivője.

Az Advanced LIGO olyan fejlett technológiákat foglal majd magába, amelyeket maga a LIGO együttműködés tervezett és valósított meg. Ezt a projektet szintén az NSF támogatja, az STFC és a német Max Planck Society további anyagi hozzájárulásával.

A hannoveri GEO-obszervatórium

Magyarok a LIGO csapatban
Az LSC tagjaként működik az ELTE-n alapított Eötvös Gravity Research Group (EGRG) is. A kutatócsoportot az NKTH támogatja. Munkájuk egyik legérdekesebb része, hogy olyan mérőberendezést (infrahang-mikrofon) építenek, amely alkalmas lehet az eddig még soha nem érzékelt gravitációs hullámok közvetlen kimutatásában. Az ELTE asztrofizikai kutatócsoportja által fejlesztett különleges érzékenységű mikrofon prototípusát már ki is próbálták a hannoveri GEO obszervatóriumban, és jelenleg a sorozatgyártást készítik elő az ELTE-n. A berendezés része lesz a 2014-ben induló nagyszabású megfigye-lőprogramnak, az Advanced LIGO-nak.

A kutatók emellett részt vesznek a mérésekben és az adatok feldolgozásában is. A csoport három tagja, Frei Zsolt egyetemi docens, Raffai Péter doktorandusz hallgató és Szokoly Gyula tudományos munkatárs társszerzői az egyébként sokszerzős, a kollaboráció által jegyzett, a Nature-ben most megjelent cikknek.

A cikk rámutat arra, hogy az a tény, hogy a LIGO jelenlegi érzékenysége mellett még nem találta nyomát az Univerzum korai szakaszából, az Ősrobbanásból származó gravitációs hullámoknak, jelentősen behatárolja és pontosítja az Univerzum fejlődéséről alkotott modelljeinket.

Frei Zsolt a hannoveri GEO detektornál nyilatkozik az MTV Delta című műsorának

A csoport lényeges hozzájárulását elismerve a LIGO és a Virgo együttműködés ezévi közös európai nagy konferenciájának, 2009. szeptember 19. és 24. között az ELTE lesz a színhelye.

Frei és csoportja nemcsak a mérési eredmények kiértékelésével, de a gravitációs hullámok asztrofizikai alkalmazhatóságával is behatóan foglalkozik. Véletlen időbeli egybeesés, hogy ugyancsak augusztus 20-án jelent meg az amerikai Astrophysical Journal-ban a Lippai Zoltán, Frei Zsolt és Haiman Zoltán által írott, a távoli kvazárok fényességével foglalkozó cikk, amelynek konklúziója, hogy a kvazárok fizikájának pontos megértéséhez nem elegendőek az optikai megfigyelések, de az ütközéseikből származó gravitációs hullámok közvetlen megfigyelésére is szükség lenne.