A téridő ősi zaja

Az első gravitációs hullám 2015-ös felfedezése egy drámai esemény, fekete lyukak összeolvadása során születő erőteljes hullám volt. Van azonban egy másik típusú gravitációs hullám is, amelyet afféle háttérzajnak tekinthetünk. Ez, hasonlóan a mikrohullámú háttérsugárzáshoz, az Univerzum ősi állapotáról árulkodik, vagyis a korai Univerzumban kialakult hatalmas tömegekhez kötődik. E gravitációs háttérzajt szakszóval sztochasztikus gravitációs hullámnak hívjuk. A létezését sokkal előbb sejtettük, mintsem képesek lettünk volna bizonyítani, azonban egy kutatócsoport pontosan ezen dolgozott már hosszú ideje.

2023. június 28-án jelentették be, hogy sikerült kimutatni ezt, a kozmoszt betöltő hosszú hullámú gravitációs háttérzajt, számolt be a NASA. E hullámokat valahogy úgy képzeljük el, mint egy rendezvény látogatóinak beszélgetését, amelyet egyöntetű duruzsolásként érzékelünk, nem pedig számtalan, külön-külön is hallható emberi párbeszédként.

A gravitációs háttérzajt a NANOGrav nevű projekt mutatta ki. E hullámok révén a szakemberek jobban megérthetik, mi is történik a gravitációs hullámokkal, miközben terjednek a Világegyetemen át. Az is kiderülhet, pontosan hogyan születnek e hullámok, és segítségükkel a hosszú évmilliók alatt lejátszódó feketelyuk-egyesüléseket is tanulmányozhatjuk. Az egyesülő fekete lyukak a galaxisok fejlődésére is kihatnak.

A NANOGrav (Észak-Amerikai Gravitációs Hullám Nanohertz Obszervatórium) az Astrophysical Journal Letters folyóiratban közölt több tanulmányban számolt be a felfedezésről. A NANOGrav mintegy 190 amerikai és kanadai kutató munkáján keresztül érte el ezt az eredményt, több mint 15 év alatt. Földi rádióteleszkópok igen nagy pontosságú adatainak gyűjtését követően sikerült kimutatni a gravitációs háttérzajt.

A projekt nevében a nanoherz arra utal, hogy ez a hullámzás, amelyet kerestek, a LIGO által 2015-ben detektált gravitációs hullámnál alacsonyabb, nanohertz tartományba eső frekvenciájú, és néhány éves ciklusú. Ezeket a nanohertzes hullámokat a galaxisok szívében lévő szupernagy tömegű fekete lyukak hozzák létre, míg a LIGO által észlelteket két kisebb fekete lyuk egyesülése előtti másodpercek szülik.

Hogyan születtek a mérések?

A NANOGrav egy pulzárokból álló „hálózatot” használt. A pulzárok óriáscsillagok robbanásának maradványai, amelyek kozmikus világítótoronyként rendkívül precízen ismételt jeleket adnak. Egyes pulzárok az atomóráéhoz fogható pontosságúak.

Amikor a gravitációs háttérhullámzás meggyűri a téridő szövetét, ezeknek a rendkívül pontos pulzároknak a jeleit eltorzítja, vagyis azok veszítenek pontosságukból, így a pulzár fénye a szokásos időpont előtt vagy kicsivel utána érkezik. A kutatók számítógépes programok segítségével a hálózatba vont egyes pulzárpárok ezen változásait hasonlították össze. A számítások során rengeteg zavaró tényező hatását kellett kiszűrni, ami mind befolyásolta az észlelhető jeleket. Ilyenek például a pulzárok mozgása, a Naprendszer középpontjának precíz helye, az obszervatóriumok és óráik pontatlanságai, vagy épp a galaxisunkban hemzsegő szabad elektronok hatása.
E pulzárhálózattal gyakorlatilag egy galaxis méretű gravitációs hullám detektorhálózatot „hoztak létre” a szakemberek. A hálózat által tapasztalt torzulások megfeleltek annak, amit a relativitáselmélet alapján a gravitációs hullámokról elvártak a szakemberek.