A Galaxis lesz a gravitációs hullámok detektora

A nemrég felfedezett gravitációs hullámok tanulmányozása az asztronómia egy új tudományágát nyitja meg

A gravitációs hullámok első sikeres detektálása óta új lendületet kaptak azok a projektek, amelyek a gravitációs hullám spektrum különböző részeinek detektálását célozzák meg. Ezek között vannak űrbéli detektálásra vonatkozó elképzelések különleges szondákkal, azonban az extrém alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok detektálásához a tudósok még ennél is tovább mennek, és magát a Galaxisunkat kívánják detektorként felhasználni!

A gravitációs hullám asztronómia

A gravitációs hullámok létezésére Einstein jóslatának megfelelően már a LIGO felfedezése előtt is számtalan erős érv utalt. Ezek közül az egyik legmeggyőzőbbek a kettős kozmikus rendszerek megfigyelési eredményei,

mint például a kettős neutron csillagok, vagy ahol a központi csillag mellett egy fehér törpe is található.

Ezek megfigyelései arra utaltak, hogy nagyon lassan, de a kettős objektumok egyre jobban közelednek egymáshoz.

A nemrég felfedezett gravitációs hullámok tanulmányozása az asztronómia egy új tudományágát nyitja meg Forrás: Origo

A közeledés oka pedig a gravitációs hullámok formájában kibocsátott orbitális energiaveszteségben keresendő, így

a jelenség közvetett módon már szolgáltatott bizonyítékot a gravitációs hullámok létezésére.

Habár hatalmas energiamennyiség kibocsátásáról van szó, mégis a téridőre gyakorolt hatás annyira kicsiny, hogy napjainkig kellett várnunk az első sikeres detektálásra. Azonban a gravitációs hullámok sem egyformák, amplitúdóban (pontosabban a téridő karakterisztikus deformációjában) és frekvenciában alapvetően eltérnek egymástól.

A gravitációs hullámok is különböző frekvenciatartományokban észlelhetők, keltekezési okuk függvényében Forrás: NASA

Ezek a paraméterek jellemzőek a kibocsátó forrásra, így nyílik meg a lehetőség a tudósok előtt, hogy az azonosított jel segítségével, az általános relativitáselméletet is figyelembe véve, következtetéseket vonhassanak le a forrásra és a fizikai folyamataira vonatkozólag. Kinyílik az ablak egy új tudományterület, a gravitációs hullám asztronómia számára.

A gravitációs hullámok frekvenciatérképe

A gravitációs hullámok asztronómiai térképén tulajdonképpen három, frekvenciában jól elkülönülő tartományt találunk, amelyek detektálási mechanizmusai is teljesen eltérőek. A legnagyobb frekvenciájú hullámokat (100-10000 Hz nagyságrend környékén) a LIGO-hoz hasonló, földi obszervatóriumok segítségével tudjuk azonosítani.

Két galaxis az összeolvadás végső fázisában. Az ehhez hasonló kozmikus jelenség is gravitációs hullámokat kelt Forrás: NASA

Ez a „nagy” frekvenciatartomány jellemzően neutron csillag és fekete lyuk kettősöktől származó jeleket takar.

Mintegy öt nagyságrendet kell ugornunk a kisebb frekvenciák felé, hogy elérjük az űrbe telepítendő rendszerek (mint például az Európai Űrügynökség eLISA programja) tervezett frekvenciatartományát (0,0001-1 Hz).

A tér görbülését szemléltető ábra Forrás: Wikimedia Commons

További nagyjából öt nagyságrendet kell ismét ugornunk frekvenciában lefelé, hogy az extrém alacsony frekvenciás jelek mérésére kidolgozott NANOGrav méréstechnika frekvenciatartományába jussunk (0,0000000001-0,0000001 Hz). Érdemes belegondolni, hogy a LIGO-hoz képest mintegy tíz nagyságrenddel kisebb frekvenciájú gravitációs hullámok detektálásáról beszélünk. Ilyen alacsony frekvenciákon a

szupermasszív fekete lyuk kettősöktől, egyesülő galaxismagoktól származó jeleket várhatunk,

így számos, a kozmológia szempontjából kiemelten izgalmas terület kutatása kaphat új lendületet.

Két egymásba olvadó fekete lyuk által keltett gravitációs hullámok Forrás: LIGO

Összehasonlításképpen a LIGO által felfedezett fekete lyuk páros tömegéhez képest milliószor vagy milliárdszor nagyobb tömegű fekete lyukak egyesülése által generált gravitációs hullámokról van szó, amelyek a galaxisok középpontjában találhatóak. Vagyis tulajdonképpen a galaxisok egyesülési folyamatáról alkothatunk pontosabb képet a segítségükkel.

Ütköző (egyesülő) galaxisok Forrás: NASA

Ebben a kutatásban pedig alapvetően szükséges lesz az űrbe telepített gravitációs hullám obszervatóriumokra is, mivel ahogyan közelednek egymáshoz az egyesülő galaxisok magjában található fekete lyukak, úgy tolódnak el a nagyobb frekvenciák felé az általuk keltett gravitációs hullámok is, amíg el nem érik például az eLISA projekt tervezett mérési tartományát.

Számítógépes animáció a két fekete lyuk ütközéséből keletkező gravitációs hullámokról Forrás: MPI

Valójában tehát egy ilyen összetett folyamat vizsgálatához

legalább kétféle gravitációs hullám obszervatórium felhasználása lenne szükséges.

A teljesség kedvéért azért hangsúlyozni kell, hogy amint haladunk az egyre kisebb frekvenciák tartománya felé, úgy növekszik a mérhető gravitációs hullám jelamplitúdója is.

A legősibb gravitációs hullámok az Univerzum keletkezésének korából

Azonban a NANOGrav frekvenciatartományával korántsem értük el a gravitációs hullámok frekvenciatérképének szélét, hiszen további, nagyjából hat nagyságrendet kellene lefelé haladnunk a gravitációs hullámok frekvenciájában (ekkor már 0,0000000000000001 Hz körül járnánk), hogy eljussunk a legősibb folyamathoz, amely ilyen hullámokat generált.

A NASA illusztrációja egy fekete lyukas galaxisról Forrás: NASA

Ez pedig nem más, mint a korai Univerzum úgynevezett inflációs felfúvódási szakasza, ahol az Univerzum strukturális szerkezetének kialakulása során keletkezett gravitációs hullámokat találjuk, amelyeket másnéven primordiális, avagy legősibb gravitációs hullámoknak is nevezünk. Nyomaikat pedig közvetetten a kozmikus háttérsugárzás apró ingadozásainak térképe máig megőrizte számunkra.

A pulzárok, mint GPS műholdak?

A NANOGrav program keretében extrém alacsony frekvenciás gravitációs hullámok detektálása a cél,

amelyhez a Tejútban található pulzárokat kívánják felhasználni, mint egyfajta GPS műholdakat.

Mit jelent mindez és miért éppen a pulzárokat? A Földünk napjánál jóval nagyobb tömegű csillagok halála után (ha nem elegendő a tömegük, hogy fekete lyuk keletkezzen belőlük) neutron csillag alakul ki, ezeknek egy speciális csoportját alkotják a pulzárok.

A Vela csillagképben felfedezett kozmikus ködben lévő pulzár Forrás: NASA

A pulzárok rendkívül extrém objektumok az Univerzumban.

Olyan elképesztően sűrű anyagból állnak, hogy az általuk keltett gravitációs mező mintegy tíz nagyságrenddel haladja meg a Földi gravitációt (képzeljük el, mi történne egy emberrel, ha megpróbálna sétálni a pulzár felszínén ilyen hihetetlenül erős gravitációs mezőben). A pulzár annyira erős mágneses mezőt gerjeszt a környezetében, amely elegendően erős ahhoz, hogy a Föld összes merevlemezén kitöröljön minden információt még akkor is, ha csak olyan közel merészkednénk hozzá, mint a Hold-Föld távolság!

A pulzár rendkívül erős mágneses teret hoz létre Forrás: NASA

Azonban a pulzár nem emiatt érdekes a gravitációs hullám detektálás szempontjából, hanem mert nagyon pontos (közel atomóra pontosságú és stabilitású) órajelként használható. Ugyanis a pulzárok rádióhullám nyalábokat bocsátanak ki, miközben nagy sebességgel forognak a tengelyük körül (a forgástengelyük és a mágneses tengelyük nem esik egybe). Minden egyes alkalommal, amikor a nyaláb a Föld felé irányul, egy jól mérhető rádióhullám jelet kapunk,- egyébként innen származik a pulzár elnevezés is.

A Fermi által felfedezett pulzárok a Tejútrendszerben Forrás: NASA

A legpontosabb, ún. milliszekundumos pulzárok

mintegy százszor fordulnak meg a tengelyük körül egyetlen másodperc alatt.

A NANOGrav gravitációs hullám detektálása éppen ezekre a pulzárokra épül, és úgy használja őket nagyon pontos téridő meghatározásra, mint ahogyan a GPS műholdakat használjuk a mindennapokban.

A Tejút így látszik a Földről. Az új elképzelés szerint a Galaxis lesz a gravitációs hullámok egyik detektora Forrás: Wikimedia Commons

Ebben az esetben azonban a milliszekundumos pulzárokat használjuk a Föld pozíciójában történő apró változások meghatározására, amelyet az áthaladó gravitációs hullámok okoznak. A pulzárok felhasználásával a gravitációs hullámok felfogására tulajdonképpen maga a Tejútrendszer fog egyfajta hatalmas detektorként működni a tudósok számára. A várakozások szerint 2020-ig szeretnék megvalósítani az első sikeres detektálást.

(A szerző asztrofizikus, az MTA kutatója)