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.

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 a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetem és a debreceni MTA Atommagkutató Intézet összefogásában működik, 2007 óta az LSC tagja. A csoport vezetője dr. Frei Zsolt, az ELTE tanszékvezető professzora, az MTA-ELTE Lendület Asztrofizikai Kutatócsoport vezetője. Az EGRG adatelemző munkáit dr. 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 Szegedi Tudományegyetemen a gravitációs hullámok kutatását dr. 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.

A VIRGO kutatási programon a VIRGO Együttműködés (VIRGO Collaboration) dolgozik, amely több mint 250 fizikusból és mérnökből áll, akik 19 különböző európai kutatócsoporthoz tartoznak: közülük6 afranciaországi Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), 8 az olaszországi Nazionale de Fisica Nucleare (INFN),2 aholland 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 Olaszországban, Pisa közelében. A detektor építése 1994-ben kezdődött a CNRS és INFN intézetek finanszírozásában. 2007 óta a VIRGO és LIGO detektorok megosztják és közösen elemzik a nemzetközi hálózat interferométereinek mérési adatait. A CNRS, INFN és Nikhef által finanszírozott Advanced VIRGO projekt 2011 után indult, az új detektor az év vége előtt lép működésbe.

Az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja a VIRGO együttműködésben vesz részt. A kutatócsoport 2010-ben csatlakozott az együttműködéshez, 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.

A MTA debreceni Atommagkutató Intézete és az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontja egyaránt része a Magyar Tudományos Akadémia 10 kutatóközpontból – ezeken belül 39 kutatóintézetből – és 5 önálló kutatóintézetből álló kutatóintézet-hálózatának, amely Magyarország tudományos életének alapvető pillére. Az Akadémiához tartozó kutatóhelyek a felfedező, azaz alapkutatást tekintik fő feladatuknak. A magas színvonalú alapkutatások jelentik az alkalmazott kutatások, illetve az innováció kiindulópontját. A Magyar Tudományos Akadémiához köthető az Európai Kutatási Tanács nemzetközi pályázatian elnyert magyar pályázatoknak mintegy kétharmada. Ezeknek körülbelül fele közvetlenül akadémiai kutatóintézetekhez kapcsolódik, a másik fele pedig az egyetemekkel való együttműködésnek, vagyis közös akadémiai-egyetemi kutatócsoportok munkájának eredménye.

Az Eötvös Loránd Tudományegyetem nyolc karának tudományos tevékenysége rendkívül szerteágazó, jórészt lefedi az összes tudományágat. Az Egyetem kutatásaival, egyedi produktumaival meghatározó szerepet tölt be az élő- és élettelen természettudományok, az informatika, a bölcsészettudományok, neveléstudományok, illetve a jog- és társadalomtudományok területén is. Az ELTE az elmúlt években kutatási portfoliójának kialakításakor két szempontot tartott szem előtt. Egyrészt prioritás, hogy a kutatási témák változatosságát fenntartsa, másrészt olyan kutatási fókuszokat igyekszik megnevezni, amelyek a nemzetközi trendekhez, a társadalom aktuális kihívásaihoz kapcsolódnak. Az ELTE-n az egyik legsikeresebb kutatási diszciplína a fizika, melyet a tudományos munkák hatása, valamint az MTA Lendület és ERC csoportok vonzása fémjelez, de sikerességét jelzi a területnek a nemzetközi rangsorokban elfoglalt kimagasló pozíciója is. További információk a felfedezésről: ligo.elte.hu

Gravitációs hullámok: egyszerre három világraszóló felfedezés a fizikában

Összeütközött két fekete lyuk egy messzi galaxisban. Az esemény során korábban soha nem látott mennyiségű energia szabadult fel. A háromezer szupernóva-robbanásnak megfelelő energiát az Einstein által száz éve megjósolt gravitációs hullámok vitték el, amelyeket most először sikerült közvetlenül érzékelni, és amelyek pontosan kirajzolták az ütközés drámai körülményeit.

Felfedezték a gravitációs hullámokat. Az egyszerű mondat mögött egy százéves elmélet, több évtizedes műszerfejlesztés és több mint egymilliárd dolláros befektetés áll. A világegyetem jobb megértését segítő, alapvető eredmény született a tudományban, az alapkutatás látványos sikeréről van szó.

A felfedezést a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) elnevezésű nemzetközi tudományos együttműködés tette. A LIGO mindkét gravitációshullám-detektora ugyanabban az időpontban ugyanazt a jelet érzékelte (24-es jel/zaj szinttel). A detektorok érzékenységét 2015-ben jelentősen megnövelték, és azok szinte azonnal érzékelték a jelet 2015 szeptemberében.

A gravitációs hullámok megfigyelése új ablakot nyit a világegyetemre: korábban soha nem látott eseményeket figyelhetünk meg. Ezt már a mostani adatok is fényesen bizonyítják.

A gravitációs hullámokat 2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint délelőtt 10 óra 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 bemutató szakcikket a Physical Review Letters folyóirat fogadta el közlésre.

Háromezer szupernóva energiája

A detektorok által érzékelt gravitációs hullámok forrása két fekete lyuk összeütközése és összeolvadása volt egy a Földtől 1,2 milliárd fényévnyire lévő galaxisban. Az eredeti fekete lyukak tömege 29, illetve 36 naptömeg volt, az összeolvadásukkal keletkezett objektumé azonban csak 62 naptömeg.

Ez azt jelenti, hogy 3 naptömegnyi anyag alakult energiává, méghozzá a másodperc törtrésze alatt. Az eseményben felszabadult energia háromezer tipikus szupernóva-robbanás energiájával egyenlő, vagy egy másik hasonlattal: 4500-szor több, mint amit a Nap egész élete során (kb. 10 milliárd év alatt) kisugároz. Ezzel ez a legnagyobb energiájú észlelt esemény a csillagászat történetében.

Ez az ábra a LIGO és a VIRGO együttműködéseknek a Physical Review Lettersben most megjelentetett cikkéből származik, és azt mutatja, hogy a LIGO két detektora az amerikai Hanfordban (balra) és Livingstonban (jobbra) pontosan milyen jelet észlelt 2015. szeptember 14-én. A legfelső sorban a nyers jelek vannak (pirossal a hanfordi, kékkel a livingstoni), alattuk a zajtól megtisztított jel látható, azután külön a zaj. Az alsó sorban a jelek spektruma látható frekvencia-idő ábrán. A jobb felső ábrán a livingstoni és hanfordi jelek együtt látszanak, 6,9 ezredmásodperc eltolással egymáson, ennyi volt ugyanis a két érkezési idő közötti különbség. A második sorban lévő, „tiszta” jelekre szürke sávval rá van rajzolva a két összeolvadó fekete lyuk által keltett, várható, elméleti úton számított jelalak. Megdöbbentő az egyezés!

 

Fekete lyukak őrült tánca

Az esemény alaposan „megrázta” a téridőt, és a gigantikus mennyiségű energiát gravitációs hullámok szállították el (a forrásnak nincs elektromágneses sugárzást kibocsátó párja). Az észlelt hullámok jellemzőiből az is kiolvasható, hogy a két fekete lyuk összeolvadása drámaian gyors folyamat volt. Miután évmilliókig kerülgették egymást, az utolsó nyolc keringést mindössze 0,2 másodperc alatt tették meg, a legutolsó keringésre pedig már csak 1/150 másodperc kellett. Az összeolvadás pillanata előtt, az eseményhorizontok találkozásánál a két objektum távolsága 210 kilométer volt.

Itt a felső sorban a két fekete lyuk összeolvadásának három fázisa látható: az egymás körüli keringés, az összeolvadás pillanata és a „lecsengés” folyamata, amikor az egyesült fekete lyuk még nem teljesen gömbszerű, és még bocsát ki gravitációs hullámokat. A második sorban a jelalak látszik, az alsó részen pedig a két fekete lyuk távolsága (csökkenő szürke vonallal, a fekete lyukak sugarának mértékében), illetve sebessége (növekvő zöld vonal, a fénysebesség mértékegységében).

 

Magyar részvétel

Az eredményekhez magyar kutatók is hozzájárultak, mint ahogyan ez sok más tudományterületen is gyakori. Több magyar kutatócsoport is része a LIGO Tudományos Együttműködésnek, amely a felfedezést tette. A hazai munka oroszlánrészét a 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. A csoport működéséről itt olvashat részletesen.

Ugyancsak meg kell említeni az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpontot, amelynek munkatársai nem közvetlenül a LIGO, hanem a közös LIGO-VIRGO adatfeldolgozásban vettek részt.

Új ablak nyílt az univerzumra

Frei Zsolt, az Eötvös Gravity Research Group vezetője 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 szakember.

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.