Csillagvizsgáló

A modern csillagászat egyik legnagyobb felfedezése

2017. október 19. - PFreddy

Újra a tudományos érdeklődés és a médiafigyelem középpontjába kerültek a gravitációs hullámok. Előbb bejelentették az európai detektor, a Virgo által detektált első (összességében negyedik) gravitációs hullámot (GW170814 a beceneve), majd a LIGO kollaboráció prominens kutatói bezsebelték már régóta borítékolható és persze jól megérdemelt Nobel-díjukat. Az egyik díjazott, Rainer Weiss már a másnapi sajtótájékoztatóján jelezte, hogy hamarosan valami még jelentősebbet fognak bejelenteni. A napokban meg is történt a beharangozott esemény; a LIGO/Virgo kollaboráció, a NASA valamint Európai Déli Obszervatórium (ESO) közös sajtótájékoztatóján mutatták be az ötödik detektált gravitációs hullámot is, amely egyben az első, neutroncsillagok összeolvadásakor keletkezett jel. Ettől is nagyobb jelentőséggel bír, hogy kibocsájtott elektromágneses sugárzás alapján először sikerült megtalálni az összeolvadás pontos helyét – ezzel pedig egy csapásra hatalmasat lépett előre a csillagászat és a kozmológia.

hires.jpg

Az Einstein által megjósolt, a téridő szövetét rezgésbe hozó gravitációs hullámokat 2015-ben detektálták először az USA-beli LIGO gigantikus interferométerei, amelyek a hullám keltette irtózatosan kicsi méretváltozásokat mutatják ki. Azóta további három (plusz egy?) gravitációs hullámot sikerült azonosítani, a legutóbbit már az olaszországi Virgo detektorral kiegészülve. Eddig azonban minden alkalommal fekete lyukak összeolvadása (pontosabban egymásba spirálozódása) volt a gravitációs hullám forrása. Amikor a két ilyen (tipikusan 15-35 naptömegű) monstrum egymásba olvad, a születő új fekete lyuk kisebb tömegű lesz, mint a kiinduló tömegek összege. A tömegkülönbség energia formájában sugárzódik ki, amely fénysebességgel terjed a térben, megnyújtva és összenyomva mindent, ami az útjába kerül. Amikor ezek a hullámok elérték Földünket, a LIGO/Virgo detektorberendezések tipikusan 1-2 másodperc hosszúságú, néhány tíz Hz frekvenciájú jelet figyeltek meg.

gravitywave_1.gifGravitációs hullámok keletkezése fekete lyukak összeolvadásakor.

Augusztus 17-án (UT szerint) 12:40-kor azonban egy közel 100 másodperc hosszú jelet (GW170817) érzékelt előbb a Washington állam-beli, majd 0,3 milliszekundum késlekedéssel az Louisiana-i LIGO interfeométer is (az olasz Virgo viszont nem és ez fontos a történet szempontjából). A kutatók az elméleti tanulmányok alapján természetesen számítottak ilyesféle ’’hosszú’’ gravitációs hullámokra is – a GW170817-et csak összeolvadó neutroncsillagok kelthették.

virgopdtn_banner.jpgA Virgo detektor, Padova közelében. Az egymásra merőleges hosszú csövek az interferométer karjai, amelyben lézerfény fut. A gravitációs hullámok keltette méretváltozások megváltoztatják a fény úthosszát, így a lézernyalábok találkozásakor az interferenciakép változik. (Forrás: Virgo)

A neutroncsillagok a fekete lyukakhoz hasonlóan a nagy tömegű csillagok végállapotai. Amikor szupernóvaként felrobbannak, anyaguk nagy része szétrepül a vákuumban egyfajta kozmikus buborékot hozva létre. Az egykori csillag magja viszont helyben marad; összeomlik és az anyagnak egészen egzotikus állapotát veszi fel: nyolc és (nagyjából) húsz naptömeg közötti eredeti csillag esetén neutroncsillag, húsz naptömeg felett pedig fekete lyuk keletkezik. Utóbbi anyagáról nem tudunk semmit (nem is tudhatunk, mivel az ún. eseményhorizonton túl található), előbbiről viszont annál inkább. A neutroncsillag egy mindössze 10-15 km átmérőjű gömb, amelybe akár több naptömegnyi anyag is összezsúfolódhat. Erre szokás szemléltetésként felhozni, hogy egy teáskanálnyi a neutroncsillagból több milliárd tonnát nyomna (na, így már rögtön világosabb…). Ez az iszonyatos sűrűség úgy érhető el, hogy a teljes objektum csak és kizárólag neutronokból áll, amelyek kvantumfizikai okokból (elfajultságuk miatt) tudnak ellent tartani a további gravitációs összehúzódásnak (és így fekete lyukká válásnak). Az egészet úgy lehet elképzelni, hogy mivel az építő elemek (neutronok) nem rendelkeznek töltéssel (mint a protonok és elektronok az atomban) nem is taszítják egymást, így gyakorlatilag ’’hézag’’ nélkül töltik ki a rendelkezésükre álló teret.

a8mp6whrdfdrz3tvas3t3cpu.jpegMivel nem tudjuk hogyan is néz ki közelről egy neutroncsillag, a művészi ábrázolásnak betudható lilás szín megengedhető. Az erős mágneses tér megnyilvánulását (kékes ívek) mindenesetre én is berajzolnám.

Mivel léteznek egymás körül keringő nagy tömegű csillagok, ezért eddig is evidens volt, hogy a belőlük hátra maradt neutroncsillagok összeütközhetnek (vagy összeolvadhatnak, kinek hogy tetszik). Találtak is ilyen, egymáshoz közel keringő neutroncsillagokat, pl. a Hulse-Taylor kettős pulzárt (a nevezett úriemberek Nobel-díjat is kaptak érte 1993-ban), amelyek egyre csökkenő keringési ideje arra utal, hogy energia hagyja el a rendszert (naná, ezek a gravitációs hullámok). Az ütközés egy óriási robbanással jár, amely a szupernóvákhoz hasonló, de még azoknál is energikusabb esemény – egy ún. kilonova. Habár a kilonovák elképesztően fényesek a teljes elektromágneses tartományban, ritkaságuk miatt mindössze néhányat fedeztek fel mindezidáig, azokat is rendkívül távoli galaxisokban. A hozzánk eljutó fényük (értve itt az UV-látható-infravörös tartományt) így rendkívül gyenge, detektálásukra űr- vagy óriástávcsövekre van szükség - már ha tudjuk, hogy pontosan mely galaxist kell célba vennünk velük.


Animáció két neutroncsillag egymásba spirálozódásáról. A rendszer az összeolvadás pillanatáig (0:13) sugároz gravitációs hullámokat, majd a bekövetkező robbanás energiájának jelentős része a két oldalt fellépő kilövellések (jet, rózsaszínnel) távozik. A táguló anyagburok (kék gömböc) okozta utófénylés akár hetekig is megfigyelhető. (Forrás: NASA/Goddard Space Flight Center)

Találtak viszont számos ún. gamma-felvillanást (gamma-ray burst, GRB), amelyek gamma-fotonjai (az elektromágneses spektrum röntgenen is túli, extrémrövid hullámhosszúságú tartománya) valószínűsíthetően éppen a neutroncsillagok összeütközésekor fellépő, jet-szerű (ejtsd: dzset) kilövellésekből (lásd az alábbi képen) származhattak. Vagy nem. Vagy igen, de csak egy részük. Az elméleti kapcsolatot megerősítendő egyértelmű megfigyelés legalábbis váratott magára.

nebula-jet_still_1.jpgIllusztráció egy GRB forrásáról, kétoldalt jet-tel. (Forrás: NASA/Goddard Space Flight Center).

De csak mostanáig, pontosabban augusztus 17-ig. A gravitációs hullámok detektálásával szinte egy időben, pontosabban 1,7 másodperces késéssel a gamma-fotonokra vadászó Fermi és INTEGRAL űrtávcsövek is észleltek egy felvillanást, amely a GRB170817A jelzést kapta. A mindössze két másodperces felfénylés gyönyörűen illett a két, nagyjából Nap tömegű neutroncsillag összeolvadásának elméletébe. Azonban mind a gamma-űrtávcsövek, mind a gravitációs detektorok irány érzékenysége (utóbbiaknál az eltérő beérkezési időkből lehet számolni) elég gyenge, az általuk átfedett égbolt terület túl nagy volt a kilonova megtalálásához. Itt jön a képbe az olaszországi Virgo, amely az egész jelből mit sem érzékelt. Mivel a LIGO és a Virgo közös detektálása korábban már működött (ez volt a GW170814), ez csak úgy történhetett, hogy a gravitációs hullám a Virgo rendszer egyik vakfoltja felől érkezett, ez pedig nagymértékben leszűkítette az átvizsgálandó területet.

neutron_star_merger_localization_600px.jpgAz egyes detektorok által leszűkített égboltterületek, ahonnét a jel érkezhetett. (Forrás: LIGO/Virgo)

Pont az ilyen esetekre volt előzetes megállapodása a LIGO/Virgo kollaborációnak több tucat csillagászati megfigyelőállomással, amelyek a riasztást követően azonnal megkezdték az égboltterületen lévő galaxisok egyesével történő megfigyelését (mindezt teljes titoktartás mellett). A befutó az ESO 1 méter átmérőjű Henrietta Swope Teleszkópja lett, amely 23:00-kor (megint csak UT szerint, tehát tíz órával a gravitációs hullám észlelése után) észlelt egy szokatlanul fényes objektumot az 140 millió fényévre lévő NGC 4993 galaxisból. Minden egybevágott: az elmélet, a gravitációs hullámok detektálása, a gamma- és optikai tartományban történő észlelés.

nature24291-f2.jpgAz NGC 4993 galaxis (középen, a nagy fényes paca) előtte és utána (az Anglo-Australian Observatory felvétele). Utóbbin új pontforrás figyelhető meg: a robbanás utófénylése. (Forrás: Arcavi et al. 2017)

Bebizonyosodott, hogy a rövid GRB felvillanások kilonovákból származnak. A gamma-fotonok 1,7 másodperces késlekedése alátámasztotta az összeolvadáskor létrejövő jet elméletét. Először sikerült észlelni neutroncsillagokból származó gravitációs hullámokat. Már csak hab a tortán, hogy új megfigyelési eredmény alapján lehet következtetni a kozmológiai paraméterekre, így például az Univerzum tágulásának ütemére (csak ez utóbbi külön bejegyzést érdemelne meg, de már így is túl hosszúra nyúlt ez a bejegyzés). Viszont ami talán mindezek közül a legfontosabb: megvalósult a sokat emlegetett több csatornás csillagászat, amikor egymástól gyökeresen eltérő technikákkal sikerül megfigyelni ugyanazt a jelenséget. Mindez persze várható és csak a szerencsén múlott (értsd: relatíve közel történt az összeolvadás – csak 140 millió fényévnyire), hogy már most sikerült a detektálás (a kutatók a 2020-as évek közepére becsülték az első gravitációs kilonova észlelést). Mégis, ez a felfedezés forradalmi. Oly sok tudományterületet fog össze, technológiát igényel és kérdésre adta meg a választ, hogy nem túlzás kijelenteni: egyike a csillagászat valaha volt legnagyobb eredményeinek.

18551945_6d24b0fe5ae6720fea5a381dec07e54c_wm.jpg

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr3813017880

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2017.10.19. 12:01:12

Eddig ez az írás volt a legjobb amit ebben a témában találtam. :-) Köszönet érte.

Amit viszont nem értek és biztos hogy nem is lényeges kérdés, az az, hogy a gravitációs hullám 1,7 másodperccel gyorsabb a fénynél? Eddig úgy tudtuk hogy a fénynél semmi sem gyorsabb. Értem én hogy eszement kicsi a különbség, 15 és fél nagyságrend, de akkor is.

PFreddy 2017.10.19. 13:07:38

@rdos: Köszönöm!

"gravitációs hullám 1,7 másodperccel gyorsabb a fénynél?"

Nem, természetesen nem erről van szó. A gravitációs hullámok a bespirálozódás közben keletkeznek, ennek a folyamatnak az utolsó ~90 másodpercét figyelték meg. A gamma fotonok viszont az összeolvadás után kialakuló jet-ből származnak. Tehát a fotonok nem lassabbak, csak 1,7 másodperccel az utolsó gravitációs hullám után indultak.

rdos · http://h2o.ingyenweb.hu/tema/6.html 2017.10.19. 13:22:48

@PFreddy: Köszönöm a választ. Már értem. :-) Magam is kitalálhattam volna az animációdból.

gg630504 · http://gg630504.atw.hu 2017.10.20. 01:17:17

Állítólag... nem a gravitációs hullám megy fénysebességgel, hanem a fény mehet legfeljebb gravitációshullám-sebességgel.
Remek cikk ( egyetlen hibára leltem, a Hertz a bácsi neve, a mértékegység hertz ).

Sequoyah 2017.10.20. 02:49:00

@PFreddy: Amellett hogy ez a legmegfelelobb valasz, az is okozhat lassabb fenyt, hogy a feny tud gorbulni, es igy picit hosszabb utat bejarni. Ugye ezen alapulnak a fenti detektorok is...

Drout 2017.10.20. 07:44:55

csatlakozom, a legérthetôbb, amit errôl eddig olvastam. köszi!

Jakab.gipsz 2017.10.20. 10:23:18

Egy naiv kérdés felvetés.

A Lorenzt kontrakció hatása vajon miben és mennyiben különbözne, a mérő eszközeink számára. Ha már mindenki agyon dicséri Einstein elméletét.

Ami ellen csak azért berzenkedek, mert ha igaz és helyt álló, akkor a földünk, csak "egy börtön bolygó".

Zephyrous 2017.10.20. 12:54:51

Ez az egész mire jó a gyakorlatban? Vagy megint elvertünk egy valag pénzt olyan dolgokra, aminek semmilyen gyakorlati haszna nincs...

hitelkártyahalmozó 2017.10.21. 06:20:07

@Zephyrous: Sokkal hasznosabb mint amit az oktatásodra költöttünk.