Másodszor is gravitációs hullámokat észlelt a LIGO

2015. december 26-án magyar idő szerint reggel 04:38:53-kor a LIGO második alkalommal figyelt meg gravitációs hullámokat – a téridő szövetének fodrozódásait. A gravitációs hullámokat a Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) mindkét detektora észlelte; a detektorok az Amerikai Egyesült Államok-beli Livingstonban (Louisiana állam) és Hanfordban (Washington állam) találhatók. A LIGO obszervatóriumokat a National Science Foundation (NSF) finanszírozza, tervezésüket, megépítésüket és működtetésüket a Caltech és MIT egyetemek végezték. A mostani felfedezést a (GEO600 kollaborációt és az Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy konzorciumot is magába foglaló) LIGO Tudományos Együttműködés (LIGO Scientific Collaboration vagy LSC) és a Virgo Együttműködés (Virgo Collaboration) jegyzi, a szakcikket a Physical Review Letters múlt héten elfogadta közlésre. Az új felfedezést is a két kollaboráció a LIGO detektorokkal érte el.

A gravitációs hullámok olyan információt hordoznak a forrásaikról és a gravitáció természetéről, amely fizikai információhoz más eszközökkel nem juthatunk hozzá. A fizikusok arra a következtetésre jutottak, hogy ezek a gravitációs hullámok két – egy a Napunknál 14-szer és egy 8-szor nehezebb – fekete lyuk összeolvadásának utolsó pillanataiban keletkeztek, amikor azok egyetlen forgó fekete lyukká egyesültek, amely a Napunknál összesen 21-szer nehezebb (egy Naptömegnyi anyag energia formájában távozott).

„Nagy jelentőségű, hogy ezek a fekete lyukak sokkal kisebb tömegűek voltak, mint az első alkalommal észleltek” – hangsúlyozta Gabriela González, a nemzetközi LIGO Tudományos Együttműködés szóvivője, a Louisana Állami Egyetem fizika és csillagászat professzora. „Az első észleléséhez képest kisebb tömegük miatt több időt – körülbelül egy másodpercet – töltöttek a detektorok érzékeny frekvenciasávjában. Ez ígéretes kezdet a világegyetemünkben található fekete lyukak populációinak feltérképezéséhez.”

Az összeolvadás során, amely hozzávetőlegesen 1,4 milliárd évvel ezelőtt történt, körülbelül a Nap tömegének megfelelő mennyiségű energia került kisugárzásra gravitációs hullámok formájában. Az észlelt jel a fekete lyukak összeolvadás előtti körpályájának utolsó 27 periódusából származik. A jelek beérkezési idői – a livingstoni detektor az eseményt 1,1 ezredmásodperccel előbb rögzítette, mint a hanfordi detektor – csak hozzávetőleges információt adnak a forrás égi pozíciójáról. „A közeljövőben a Virgo, az európai interferométer is csatlakozni fog a gravitációshullám-detektorok hálózatához, amelyek együttműködnek olyan földi teleszkópokkal, amik a jelforrások utómegfigyelését végzik” – jegyezte meg Fulvio Ricci, a Virgo Együttműködés szóvivője. „A három interferométer együttesen a jelek sokkal jobb égi lokalizálását teszi majd lehetővé.”

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 TTK Atomfizikai Tanszék 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 jelkeresőprogram fejlesztésével a gravitációshullám-jelek észlelési és kiértékelési hatékonyságát maximalizálják. Az EGRG készítette azt a galaxiskatalógust, amelyet az LSC az észlelt jelek 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 gravitációs hullámok első észlelése – amelyet 2016. február 11-én jelentettek be – mérföldkő volt a fizikában és a csillagászatban: megerősítette Albert Einstein 1915-ös általános relativitáselméletének egy fontos jóslatát, és a gravitációshullám-csillagászat, mint új terület kezdetét jelezte. A második felfedezés „valódi értelmet adott az 'O' betűnek a LIGO, mint obszervatórium nevében” - mondta Albert Lazzarini, a Caltech professzora, a LIGO Laboratórium igazgatóhelyettese. „Az első adatgyűjtő időszakunk négy hónapja alatt tett két erős észlelés alapot ad arra, hogy megbecsüljük, milyen gyakran hallunk majd gravitációs hullámokat a jövőben.” „Most kezdünk bepillantást nyerni azokba az új asztrofizikai jelenségekbe, amik csak gravitációshullám-detektorokkal megfigyelhetők” – tette hozzá David Shoemaker, az MIT tanára, aki az Advanced LIGO detektor építését vezette.

Mindkét felfedezést az Advanced LIGO megnövelt teljesítménye tette lehetővé, amely nagyszabású fejlesztőmunka eredménye. Ennek során a műszerek érzékenysége az elsőgenerációs LIGO detektorokéhoz képest megnövekedett, nagymértékben megnövelve az univerzum megfigyelhető térfogatát.  „Az Advanced LIGO elindulásával azt reméltük, hogy sikerül végre a gravitációs hullámok észlelése, de ez a két jel messze túlszárnyalta a várakozásainkat." - mondja France A. Córdova, az NSF igazgatója. "Az NSF 40 évnyi befektetése ebbe az alapkutatása máris új információkat ad a sötét univerzum természetéről." Az Advanced LIGO következő adatgyűjtő időszaka idén ősszel indul el. Addigra a detektorok további hangolásával a LIGO várhatóan a világegyetem 1,5-2-szer nagyobb térfogatát éri majd el mint azt tavaly ősszel tette. A Virgo detektor várhatóan a közeledő megfigyelőidőszak második felében kapcsolódik majd be a mérésbe.

Az ELTE fizikusai is szerepelnek a legnagyobb pénzösszeggel járó tudományos elismerés, a Breakthrough Prize díjazottjai között. A LIGO kollaboráció két napon belül megkapta a Breakthrough mellett a Gruber Kozmológiai Díjat is. A díjakról bővebben itt olvashat.

A LIGO kutatási programot a LIGO Tudományos Együttműködés 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 Virgo kutatási programon a Virgo Kollaboráció dolgozik, amely több mint 250 fizikusból és mérnökből áll, akik 19 különböző európai kutatócsoporthoz tartoznak: közülük 6 a franciaországi Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), 8 az olaszországi Nazionale de Fisica Nucleare (INFN), 2 a holland Nikhef tagja. További tagok a magyarországi MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, a lengyelországi POLGRAW csoport, és az European Gravitational Observatory (EGO), amely a Virgo interferométert is működteti Pisa közelében, Olaszországban.

Az amerikai National Science Foundation az Advanced LIGO vezető pénzügyi támogatója. Támogató szervezetek Németországból (Max Planck Társaság), az Egyesült Királyságból (Tudomány és Technológiai Testület vagy STFC), és Ausztráliából (Ausztrál Kutatási Tanács) szintén jelentős hozzájárulást nyújtottak a programhoz. Számos kulcsfontosságú technológiát, amelyek az Advanced LIGO-t jelentősen érzékenyebbé tették, a német-brit GEO együttműködés fejlesztett ki és tesztelt. Jelentős számítástechnikai erőforrásokat biztosított az AEI Atlas klasztere, a LIGO Laboratory, a Syracuse Egyetem, a Cardiff-i Egyetem ARCCA klasztere, a Wisconsin- Milwaukee Egyetem, és az Open Science Grid. Számos egyetem tervezett, épített, és tesztelt kritikus elemeket az Advanced LIGO számára: az Ausztrál Nemzeti Egyetem, az Adelaide-i Egyetem, a Nyugat-Ausztrál Egyetem, a Floridai Egyetem, a Stanford-i Egyetem, a Columbia Egyetem, és a Louisiana Állami Egyetem. A GEO tagsága a Max Planck Gravitációfizikai Intézet (Albert Einstein Institute vagy AEI), a hannoveri Leibniz Egyetem, valamint a Glasgow-i Egyetem, a Cardiff-i Egyetem, a Birmingham-i Egyetem, az Egyesült Királyság további más egyetemeinek, és a spanyolországi Baleár-szigeteki Egyetem tudósaiból áll.

A Szegedi Tudományegyetemen a gravitációs hullámok kutatását Gergely Árpád László egyetemi tanár honosította meg 2000-ben a feketelyuk-kettősök dinamikájának és gravitációs sugárzásának elméleti vizsgálatával, különös tekintettel a fekete lyukak forgásából származó effektusokra. A LIGO Tudományos Együttműködésnek 2009 óta tagja, először az ELTE csoport külső tagjaként, majd 2014-től önálló SZTE csoport vezetőjeként. Tanítványaival jelenleg a nem egyenlő tömegű fekete lyukak összeolvadásakor keletkező gravitációs hullámokat tanulmányozzák. Generálásukra kidolgoztak egy új hullámformát, amit a gravitációshullám-kereséshez használt nemzetközi szoftverbe implementálnak.

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja a Virgo együttműködésben vesz részt. A kutatócsoport 2010-ben csatlakozott az együttműködéshez, és célja az egymás körül keringő nagy tömegű kettős objektumok teljes összeolvadása során keletkező gravitációs hullámok vizsgálata. A csoport tagjai Dr. Vasúth Mátyás tudományos főmunkatárs vezetésével számítástechnikai eljárások, algoritmusok, valamint hullámforma-jóslatok fejlesztésével járulnak hozzá a megfigyelésekhez. Részt vesznek továbbá a detektorok mérési adatainak kiértékelésében, amihez a Wigner Adatközpontban üzemeltetett Wigner felhő is rendelkezésre áll.