Új ablak a világegyetemre

Először történt, hogy tudósok megfigyelték a téridő „gravitációs hullámoknak” nevezett fodrozódásait, miután azok a távoli univerzum egy kataklizmikus eseményéből kiindulva elérték a Földet. Az észlelés igazolja Albert Einstein 1915-ben közölt általános relativitáselméletének egyik legfőbb előrejelzését, és eddig példa nélküli, új ablakot nyit a világegyetemre. A gravitációs hullámok olyan információt hordoznak a forrásaikról és a gravitáció természetéről, amikhez másként nem juthatunk hozzá. Az észlelt gravitációs hullámok a fizikusok következtetése szerint két fekete lyuk összeolvadásának utolsó tizedmásodperceiben keletkeztek, amikor azok egy még nagyobb tömegű, forgó fekete lyukká egyesültek. Két fekete lyuk ilyen, elméletileg lehetséges ütközését mostanáig még sohasem figyelték meg.

A gravitációs hullámokat 2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint délelőtt 10:51 perckor (9:51 UTC) észlelte a Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) mindkét detektora, amelyek az amerikai egyesült államokbeli Livingstonban (Louisana állam) és Hanfordban (Washington állam) találhatók. A LIGO obszervatóriumokat a National Science Foundation (NSF) finanszírozza, a tervezésüket, megépítésüket és működtetésüket a Caltech és MIT egyetemek végezték. A felfedezést – az azt bemutató szakcikket a Physical Review Letters folyóirat közlésre elfogadta – a (GEO600 kollaborációt és az Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy konzorciumot is magába foglaló) LIGO Scientific Collaboration és a VIRGO Collaboration jegyzi. A felfedezést a két kollaboráció a LIGO detektorokkal érte el.

Az eredményekhez magyar kutatók is hozzájárultak: több magyar kutatócsoport is része a LIGO Tudományos Együttműködésnek, amely a felfedezést tette. A hazai munka oroszlánrészét Egyetemünk professzora, az MTA doktora, Frei Zsolt által irányított, 2007-ben létrejött Eötvös Gravity Research Group kutatócsoport végezte, amelyben akadémiai és egyetemi kutatók is dolgoznak, és amelynek működését az MTA, az NKFIH, az ELTE, a Szegedi Tudományegyetem és az MTA Atomki is támogatta. Frei professzor kutatásairól korábban itt és itt írtunk.

Frei Zsolt az mta.hu-nak elmondta: a mostani bejelentésben legalább három világraszóló felfedezés rejlik. Először is végre direkt módon érzékeltük a gravitációs hullámokat. Másodszor: először van közvetlen megfigyelésünk arról, hogy feketelyuk-párok valóban léteznek, és belátható időn belül össze is olvadnak. Végül a természetben ilyen nagy energiájú folyamatot korábban még soha nem észleltünk. „Asztrofizikusként bizakodva nézek a jövőbe, amikor rendszeresen tudunk majd ilyen gravitációs hullámokat észlelni és az új eszközzel asztrofizikai megfigyeléseket végezni. Új ablakot nyitottunk az univerzumra, hiszen eddig csak az elektromágneses kölcsönhatás alapján figyelhettük meg az eget – ugyanis a fény, de a rádióhullámok vagy a röntgensugárzás is ennek különböző megnyilvánulási formái. Mostantól olyan jelenségeket is észlelünk majd, amelyeket elektromágneses alapon nem lehetett megfigyelni, mint amilyen a fekete lyukak összeolvadása” – mondta el a kutató. Frei Zsolt hangsúlyozta: nagy öröm számára, hogy magyar kutatók is hozzájárultak a LIGO működéséhez. „Kiemelném Raffai Péter kollégámat az ELTE-ről, aki az adatfeldolgozási munkát irányítja csoportunkban, vagy Gergely Lászlót, aki a Szegedi Tudományegyetemen a mi csoportunktól különválva nemrégen önálló csoportot alakított, és az összeolvadó fekete lyukak által keltett jelformákat tanulmányozza. Az MTA Atomki kutatói segítettek a detektor fejlesztésében, és jelentős az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Vasúth Mátyás által vezetett kutatócsoportjának hozzájárulása is az európai VIRGO detektor működtetéséhez” – mondta.

A felfedezést az Advanced LIGO megnövelt teljesítménye tette lehetővé, egy nagyszabású fejlesztőmunka eredményeként, amiben a műszerek érzékenysége az elsőgenerációs LIGO detektorokéhoz képest megnövekedett. A fejlesztés lehetővé tette, hogy nagymértékben megnőjön az univerzum megfigyelt térfogata – és hogy a gravitációs hullámok felfedezése megtörténjen az első megfigyelési időszak alatt. Az amerikai National Science Foundation az Advanced LIGO vezető pénzügyi támogatója. Támogató szervezetek Németországból (Max Planck Társaság), az Egyesült Királyságból (Tudományos és Technológiai Testület, STFC) és Ausztráliából (Ausztrál Kutatási Tanács) szintén jelentős hozzájárulást nyújtottak a programhoz. Számos kulcsfontosságú technológiát, amely az Advanced LIGO-t jelentősen érzékenyebbé tette, a német–brit GEO együttműködés fejlesztett ki és tesztelt. Jelentős számítástechnikai erőforrásokat biztosított az AEI Atlas klasztere, a LIGO Laboratory, a Syracuse Egyetem és a Wisconsin–Milwaukee Egyetem. Számos egyetem tervezett, épített és tesztelt kritikus elemeket az Advanced LIGO számára: az Ausztrál Nemzeti Egyetem, az Adelaide-i Egyetem, a Floridai Egyetem, a Stanford Egyetem, a New York-i Columbia Egyetem és a Louisiana Állami Egyetem.

A LIGO kutatási programot a LIGO Tudományos Együttműködés (LIGO Scientific Collaboration, LSC) végzi, amely ezernél is több tudós közössége az Egyesült Államok és 14 másik ország egyetemeiről. Az LSC tagjaként több mint 90 egyetem és kutatóintézet dolgozik a detektorok műszeres fejlesztésén és az adatok kiértékelésén; az együttműködésnek mintegy 250 egyetemi hallgató is jelentős hozzájárulást adó tagja. Az LSC detektorhálózatának a LIGO interferométerei és a GEO600 detektor a tagjai. A GEO tagsága a Max Planck Gravitációfizikai Intézet (Albert Einstein Institut, AEI), a hannoveri Leibniz Egyetem, valamint a Glasgow-i Egyetem, a Cardiffi Egyetem, a Birminghami Egyetem, az Egyesült Királyság további más egyetemei, valamint a spanyolországi Baleár-szigeteki Egyetem tudósaiból áll. A LIGO-t mint a gravitációs hullámok észlelésének eszközét az 1980-as években Rainer Weiss, az MIT fizika professor emeritusa, Kip Thorne, a Caltech Richard P. Feynman-díjas elméletifizika-professzora és Ronald Drever, a Caltech fizika professor emeritusa javasolta.

Az Eötvös Gravity Research Group (EGRG), amely az Eötvös Loránd Tudományegyetem és a debreceni MTA Atommagkutató Intézet összefogásában működik, 2007 óta az LSC tagja. A csoport vezetője Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető professzora, az MTA-ELTE Lendület Asztrofizikai Kutatócsoport vezetője. Az EGRG adatelemző munkáit Raffai Péter, az ELTE adjunktusa vezeti. A csoport az LSC valamennyi tevékenységi köréhez nyújt hozzájárulást: műszerépítéssel segítette a LIGO detektorok zajszintcsökkentését; a csoporttagok műszak- és riasztási felügyeletet látnak el a LIGO detektorok adatgyűjtési időszakai alatt mind a detektorállomásokon, mind a távolból; forrásmodellező munkájukkal és jelkereső program fejlesztésével a gravitációshullám-jelek észlelési és kiértékelési hatékonyságát maximalizálják. Az EGRG készítette azt a galaxiskatalógust, amelyet az LSC az észlelt jelek (köztük a szeptember 14-én észlelt jel) forrásgalaxisainak azonosításához használ. Az EGRG tagjai segítik a jövőben építeni tervezett detektorok (köztük a tervek szerint Indiában épülő LIGO detektor) optimális elhelyezésének megtalálását. A LSC magyar nyelvű honlapját az EGRG csoport készítette és fejleszti.

A nemzetközi sajtóanyag és a hazai kutatócsoportok részletes bemutatása itt elérhető.

Magyar Tudományos Akadémia