galéria megtekintése

Az alma és a hullámok

3 komment


Palugyai István

Mi köti össze Woolsthorpe Manor almafáját – mely pályafutását székként fejezte be – két hatalmas, fém L betűre emlékeztető berendezéssel? Nos a gravitáció, melynek teóriája a közkeletű legenda szerint Newton agyából pattant ki, midőn egy alma a nevezett fáról a fejére esett...

A tudós naplója szerint Newton csupán az ablakából nézte a lepottyanó almát, ám mai feltételezések szerint a valóság az, hogy a sztorit később találta ki, hogy bizonyítsa, a való életből merített ötleteket. Akárhogy is van, a zseniális tudós (aki amúgy legalább annyi energiát fektetett alkimista tevékenységébe és vallásos fanatizmusába, mint a tudományos igazságkeresésbe) csillagászati töprengései közepette azzal a feltételezéssel élt, hogy a mindig egyenesen lefelé hulló almát a Föld középpontja vonzza, s továbbgondolva a dolgot megértette, hogy az erő, mely a Föld felé vonzza az összes dolgot, ugyanúgy hathat a világűrben az egyes bolygók között.

Az általános tömegvonzás törvényében leírt erőt, a gravitációt többen is kiegészítették és pontosították egészen Einstein általános relativitáselméletéig, mely a jelenségre más elméleti leírást adott. Szerinte a tömegvonzást nem egy részecskék által ható erő kelti. Ehelyett azt kell elképzelnünk, hogy egy test a tömegének megfelelő mértékben meghajlítja, elgörbíti maga körül a mindennapi tapasztalataink ellenére egymástól nem független tér és idő négydimenziós egyesítésének matematikai modelljét, a téridőt. Ezt két dimenzióra egyszerűsítve úgy ábrázolhatjuk, mintha egy feszes gumihálóra rátennénk egy súlyos golyót. A golyó felé haladva az egyre meredekebbé váló felület egyúttal a tér görbületének és az ezzel ábrázolt gravitációnak az erősödését is jelzi. Ha erre a hálóra egy kisebb golyót is helyezünk, az a lejtős felület miatt a nagy golyó felé indul el, mintha az vonzaná magához. A két golyó egymás körüli keringésekor megrezgeti a hálót, aminek következtében hullámok indulnak a térben szerteszét. Ezek a gravitációs hullámok, melyeket Einstein ugyan száz éve megjósolt, bár maga is úgy vélte, valószínűleg a kimutatásuk soha nem lesz lehetséges.

A tudomány fejlődésével lassan az elméletből következő több jelenséget is sikerült bebizonyítani. Ilyen volt a gravitációs lencsehatás (amikor egy távoli forrásból – mondjuk egy csillagtól – érkező fény útját az előtte lévő nagy tömegű objektum – mondjuk a Napunk – meggörbíti), a gravitációból következő vöröseltolódás vagy a szintén einsteini elképzelésből fakadó ősrobbanás igazolásának számító mikrohullámú háttérsugárzás. A gravitációs hullámok azonban nem adták meg magukat. Olyannyira gyenge hatásról van szó, ami egy egyméteres fémrúdon tíz a mínusz huszonegyediken résznyi változást idéz elő.

 

A hetvenes években tömegrezonátorokkal akarták a jelenséget észlelni, de két nagyságrend hiányzott a műszer kellő érzékenységéhez. Ez az út zsákutcának bizonyult. Ekkor találta ki a két legjobb amerikai műszaki egyetem, a Caltech és az MIT három kutatója, Kip Thorn, Ronald Drever és Rainer Weiss, hogy lézer-interferométerekkel kellene próbálkozni.
A haladására merőleges rezgéseket keltő gravitációs hullámot a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) nevű kétszer négy kilométeres derékszögű fémcsőből álló berendezés érzékelte. Méghozzá kettő is, tavaly szeptember 14-én egymáshoz képest 6,9 ezredmásodperces különbséggel, az egyik a Washington állambeli Hanford sivatagában, a másik a tőle háromezer kilométerre lévő louisianai Livingston mocsarában. Az egymilliárd dollárba és folyamatos fejlesztésekkel húsz évbe került LIGO egymással 90 fokot bezáró fémcsöveiben a világ legnagyobb vákuumát állították elő, melyben egy-egy tíz centiméter átmérőjű lézersugarat irányítanak egymásnak. A csövek végein egy-egy tükröt helyeztek el, melyeken a lézer visszaverődik. A gravitációs hullámok a téridőt egyszerre nyújtják és nyomják össze, igaz, a már említett elképesztően gyenge mértékben. Ez azt jelenti, hogy a négy kilométeres, 1,2 méter átmérőjű egyik vascső ugyanúgy egy proton átmérőjének ezredrészével nyúlik meg, mint amennyivel a másik összemegy!

A két tükröt szeizmikusan izolálva négy egybecsatolt ingán helyezték el, és a lézerek mozgása egy fotodiódára vetülve méri a csövek hosszát. Amíg nem jön a hullám, a két lézersugár az interferencia alapján kioltja egymást, tehát semmi sem látszik a műszeren. Amikor a gravitációs hullám megváltoztatja a csövek méretét, a lézereknek több idő kell, hogy ugyanazt az utat megtegyék, ezért megváltozik a fázisuk, erősítik egymást, s emiatt villogni kezd egy jel.

A műszer hihetetlenül érzékeny, és egy halom más berendezés háromszáz csatornán gyűjti az egyéb jeleket, a „zajokat", melyekre csak egy példa, hogy a washingtoni LIGO-tól háromszáz kilométerre lévő tengerpartra vetődő hullámok is bezavarnának. A magyar kutatók is részt vettek a zajkiszűrésben, és egy infrahang-érzékelőt készítettek. Mint Frei Zsolt, az ELTE atomfizikai tanszékének vezetője, a projektben 2007 óta részt vevő legnagyobb magyar kutatócsoport irányítója lapunknak elmondta, ugyanazt a technikát másolták le, amellyel az ötvenes években az amerikaiak Los Alamosban észlelni tudták a szovjet atomkísérletek keltette alacsony frekvenciás hanghullámokat.

A két detektor helyzetéből, az időkésés nagyságából a kutatók arra is következtetni tudtak, az égbolt mely szögletéből érkezett a gravitációs hullám, melyet két egybeolvadó fekete lyuk keltett. A háromszögeléssel azonban pontosabban is meghatározhatnánk a jel irányát. Ezért a LIGO elkezdte legyártani a harmadik műszert, mely Indiában épülne fel. A berendezések már konténerben vannak, de az indiai finanszírozás eddig nehézkesen haladt. A mostani bejelentés hatására az ottani miniszterelnök megígérte, felgyorsítják a munkát. Léteznek más kisebb (a LIGO-val egyébként együttműködő) detektorok is, mint a Németországban lévő 600 méteres német–brit GEO600, vagy a Pisa melletti, három kilométeres francia–olasz VIRGO, mely jelenleg átépítés alatt áll, és leghamarabb idén ősszel kezd működni. Érzékenysége pedig remélhetőleg egy idő után eléri a tervek szerint a jelenleginek ötszörösére növelt LIGO-ét, ahol akkorra hetente várnak egy jelet. Ha a japánok és az ausztrálok által épített, szintén kisebb berendezések is beszállnak, egész detektorhálózat épülhet fel, amivel még pontosabban tudjuk majd megmondani a hullámok forrását.

Az Európai Űrügynökség a következő évtized vége előtt működésbe lépő, s az eredeti tervek szerint három, egymástól 5 millió kilométerre lévő berendezésből álló LISA detektorával pedig már a lomha, szupermasszív fekete lyukak összeolvadásának gyakoriságát is kimérhetik. A projekt technológiáját demonstráló első űrszondát, a LISA Pathfindert épp decemberben küldték az űrbe. A NASA 2011-ben kivonult a projektből, de legújabban egy új bizottság vizsgálja a visszatérés lehetőségét.

A mostani észlelés két viszonylag kisebb, 29 és 36 naptömegű fekete lyuk összeolvadása hatására keletkezett gravitációs hullámot detektált. Ennek amplitúdója a két lyuk közeledésekor folyamatosan nő, de akkor a legnagyobb, amikor az összeolvadás megtörténik, utána hirtelen lecseng a dolog. A LIGO mostani érzékenysége ezt a 0,2 másodpercig tartó csúcsot tudta épp bemérni, és ezzel nemcsak a gravitációs hullámokat sikerült közvetlenül észlelni, de először bizonyították, hogy léteznek összeolvadó fekete lyukak, és megfigyelték a világ eddigi messze legnagyobb energiájú jelenségét is. Három világraszóló felfedezés.

Na de mégis mindez mire jó, kérdezték sokan. A kérdés először is így nem szerencsés. Amikor az elektromosság békacombokra gyakorolt hatását vizsgáló Faradayt a pénzügyminiszter megkérdezte, mire lesz ez jó, azt felelte, még nem tudja, de hogy előbb-utóbb adót lehet kivetni rá, az biztos.

A gravitációs hullámok nemcsak Einstein híres elméletének hiányzó kockáját jelentik, hanem segítségükkel új ablak nyílik a világra. Eddig elérhetetlen objektumait fedezhetjük fel a világegyetemnek, és visszatekinthetünk az univerzum keletkezése utáni pillanatokig. Mostanáig az eseményeket az ősrobbanás utáni 380 ezer évig tudtuk „visszanézni", amikortól a világegyetem átjárhatóvá vált a fény számára. Ezentúl ott is vizsgálódhatunk, ahol nincs elektromos töltés, hiszen amíg a fényhullámokat egy rakás dolog kitakarja, a gravitációs hullámok mindenen áthatolnak.

A továbbfejlesztett LIGO-val pedig két neutroncsillag keltette gravitációs hullámokat is megfigyelhetünk. Az itt keletkező titokzatos jelenség, a hirtelen kilövellő gamma-sugár-csóva tanulmányozásából megérthetjük, hol keletkeztek a világegyetem olyan nehéz elemei, mint az urán, a tórium vagy az arany. Ha több neutroncsillag összeolvadását sikerül észlelni, többet megtudhatunk a világegyetem gyorsulva tágulásáért felelősnek tartott sötét energia természetéről is. Avi Loeb, a Harvard Egyetem csillagásza szerint néhány ilyen esemény megfigyelése mindent megváltoztathat, több tízé egészen új kozmológiát alakíthat ki.

Ha tudjuk az esemény pontos helyét, hagyományos távcsöveket irányíthatunk abba az irányba, és így kideríthető a világegyetem tágulásának mértéke. Végül a gravitációs hullámok megmutathatják az utat a világegyetem nagy egyesített elmélete felé, mely minden erőt egyetlen közös elmélettel szeretne leírni. E szerint az univerzum történetének egy bizonyos pontján a négy alapvető erő vagy kölcsönhatás (erős, gyenge, elektromágneses és a gravitációs) egyesült, a tágulás és lehűlés során azonban egy sor, ma még alig ismert esemény következtében újra szétváltak. Ha sikerülne közelebb kerülnünk a fizikusok Szent Gráljához, múltunk és jövőnk is tisztábbá válna előttünk.

A magyar részvétel

Az ELTE és a debreceni Atomki együttműködéséből létrehozott Eötvös Gravity Research Group (EGRG) az infrahangmikrofonokon túl a mérésekben is részt vesz, nyolcórás műszakokban figyelik az érkező jeleket. Modellezik az elnyúlt pályán keringő fekete lyukak tulajdonságait, valamint készítenek egy galaxiskatalógust, mely a hagyományos távcsöves utóvizsgálatoknál segíthet majd a gravitációs hullámok eredetének pontosításában.

Bejelentkezés
Bejelentkezés Bejelentkezés Facebook azonosítóval

Regisztrálok E-mail aktiválás Jelszóemlékeztető