Továbbra is gőzerővel folyik a munka a gravitációs hullámokat kereső LIGO-Virgo detektorok háza táján. Igaz, jelenleg nem a mérések, hanem fejlesztések zajlanak, de így legalább a rendkívül összetett kiértékelési és az elhúzódó publikációs folyamat is utolérheti az irdatlan ütemű adattermelést. Az elsőként megtalált gravitációs hullám óta eltelt öt évben a detektorok érzékenységének növelése nem csak a felfedezések számában hozott gyors növekedést, de újabb típusú jelforrásokat is eredményezett. A kettős fekete lyukak és a neutroncsillag-párok összeolvadásai után most először sikerült megtalálni a két objektumtípus találkozását, első alkalommal azonosították ugyanis neutroncsillag és fekete lyuk összeolvadását. Ráadásul kapásból kettőt is!
Egy fekete lyuk és egy neutroncsillag tánca által inspirált színes alkotás. (Forrás: OzGrav – Swinburne U./Carl Knox)
A bejegyzés először a Csillagászat.hu hírportálon jelent meg.
Gyorstalpaló a gravitációs hullámokról: a gravitációs hullámok a téridő tovaterjedő fodrozódásai, amelyek hatására a távolságok és ezzel együtt a méretek periodikusan megnőnek, majd lecsökkennek. Ahogy azt az általános relativitáselmélet is megjósolta, gravitációs hullámot minden tömeggel rendelkező test kelt a gyorsuló mozgása révén, ám a gyakorlatban annyira csekély mértékűek a méretváltozások (maga Einstein sem hitt benne, hogy valaha is kimutathatóak lesznek), hogy csak rendkívül nagy tömegű, kompakt objektumok esetén vagyunk képesek ezeket észrevenni: fekete lyukak és/vagy neutroncsillagok összeolvadásánál.
A fekete lyukak egymásba spirálozódása és a kibocsájtott gravitációs hullámok szemléltetése (Forrás: T. Pyle/LIGO)
A statisztikai sokaság mellett egyre-másra kerültek elő kiemelten érdekes rendszerek, kezdve az elsőként felfedezett neutroncsillag-összeolvadással (GW170817), amely az utóbbi évek egyik legfontosabb tudományos eredményének számított. Azóta további harmincöt gravitációs hullámot sikerült elcsípni, köztük az első nagymértékben aszimmetrikus feketelyuk-páros (GW190412), a második detektált neutroncsillag-összeolvadás (GW190425), a neutroncsillag-fekete lyuk tömeghatáron billegő objektum (GW190814), és végül az első detektált közepes tömegű fekete lyukat eredményező összeolvadás (GW190521) által keltett gravitációshullám-eseményt.
Illusztráció két, egymás körül keringő fekete lyukról, amelyek megráncigálják a téridő szövetét.
Gyorstalpaló a mérőberendezésekről: az eddig felfedezett feketelyuk-összeolvadások tipikusan 10^-23-os relatív méretváltozást okoznak - ez egy kilométerre számolva egy proton átmérőjének 1/4000-ed (0.00025) része! Hogyan lehet kimutatni ilyen kicsiny változásokat? A kulcs a fény hullámtermészete. A detektor lelke egy nagy teljesítményű lézer, amelynek fényét két részre osztják, majd több km megtétele után (ez az ún. karhossz) újra egyesítik őket, és ún. interferenciamintázatot hoznak létre (mint amikor két hullámfront találkozik a tóban, és megnézzük, mi sül ki az összecsapásukból). Ha egy arra kószáló gravitációs hullám megnyújtotta az egyik nyaláb útját, akkor a lézerfény hulláma más fázisban fog a találkozóhelyre érni – így változni fog az interferometria képe is. Jelenleg négy ilyen detektor működik: kettő az Egyesült Államokban (LIGO I és II), egy Olaszországban (Virgo), 2020 tavaszától kedve pedig egy Japánban is (KAGRA).
A gravitációs hullámok detektálására használt interferométer vázlatos elrendezése és ugyanez nagyban: a Virgo detektor 3 km-es karhosszai. (Forrás: ScienceNews & Emelt szintű fizika érettségi 2018 / Virgo Collaboration)
Az adatok feldolgozása, analízise és publikálása azonban rendkívül komplex feladat, így ezek a folyamatok tipikusan bő egyéves lemaradásban vannak a mérésekhez képest. Ennek megfelelően a LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés nem folytonosan és rögtön a felfedezést követően mutatja be eredményeit. A tudományos kollaboráció friss publikációi is 2020. januári felfedezésekről szólnak, amelyek megint csak különlegesnek számítanak a maguk nemében: ezek az első olyan gravitációs hullámok, amelyek bizonyítottan egy fekete lyuk és egy neutroncsillag egyesülése során keletkeztek.
Egy szimulált árapály-katasztrófa egy fekete lyuk és egy neutroncsillag összeolvadásának esetén. (Forrás: Stockholm U. – Potsdam U. – Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik / S.V. Chaurasia, T. Dietrich, N. Fischer, S. Ossokine, H. Pfeiffer)
A kutatók évtizedek óta keresik a fekete lyukak körül keringő neutroncsillagokat (pontosabban utóbbiak látványosabb képviselőit, az ún. pulzárokat), ám a Tejútrendszerben még nem sikerült ilyen rendszert azonosítani. Ennek ellenére a szuperszámítógépeken futtatott hidrodinamikai szimulációk révén viszonylag pontos elképzeléseink vannak arról, hogy miként néz(het) ki egy ilyen összeolvadás. Egy nagyobb tömegű fekete lyuk erősebb gravitációja révén a Kisgömböc mintájára akár egyben is elnyelheti a mindössze néhány tíz km átmérőjű neutroncsillagot, ám olyan konfiguráció is elképzelhető, amelynek során a fekete lyuk előbb szétcincálja áldozatát (ez az ún. árapály-katasztrófa), és a neutroncsillag felforrósodó anyagát akár optikai teleszkópokkal is megfigyelhetjük. A most ismertetett két felfedezés alátámasztja az eddigi elméleti modelleket.
Az újonnan bejelentett feketelyuk-neutroncsillag összeolvadások animált megjelenítése. (Forrás: OzGrav – Swinburne U./Carl Knox)
A detektálás dátuma után elnevezett GW200105-öt a LIGO Livingston és a Virgo detektorok észlelték. A livingstoni LIGO berendezés erős jelet fogott, míg a Virgonál viszonylag kicsi volt a jel/zaj arány. A gravitációs hullám tulajdonságai alapján a kutatócsoport arra következtetett, hogy a jelet egy 9 naptömegű fekete lyuk és egy 1,9 naptömegű, rendkívül kompakt objektum (neutroncsillag) összeolvadása bocsátotta ki. Ez az egyesülés tőlünk mintegy 900 millió fényévre történt. Mivel csak az egyik LIGO detektor érzékelt erős jelet (a hanfordi megfigyelőállomás épp ideiglenes felújításon esett át), így mindössze egy igen nagy égboltterületre sikerült leszűkíteni a forrás irányát, ennélfogva a kísérőfény optikai teleszkópokkal történő keresése esélytelen volt.
Mindössze tíz nappal később egy másik, az előzőhöz igen hasonló jelet csípett el mindkét LIGO detektor, és az Olaszországban található Virgo is (a KAGRA ekkor még inaktív volt). A GW200115 egy 6 naptömegű fekete lyuk és egy 1,5 naptömegű neutroncsillag összeolvadásából származott, a Földtől nagyjából 1 milliárd fényévnyire következett be. A három különböző helyszínről történt észlelés alapján a kutatók egészen jól meg tudták határozni az égbolt azon részét, ahonnan a jel származik. Azonban még ez az égterület is közel 3000-szer akkora volt, mint a telihold, az időkorláttal dolgozó földi obszervatóriumoknak pedig ezúttal sem sikerült a forrás fényére bukkanni.
Az eddig felfedezett gravitációs hullámok forrásainak tömegeloszlása; kékkel az összeolvadásban részt vevő fekete lyukak, míg sárgával a neutroncsillagok láthatóak. A tavaly januári felfedezések kiemelve szerepelnek az ábrán. (Forrás: LIGO-Virgo/Northwestern University/Frank Elavsky, Aaron Geller)
Mindkét felfedezés a 2020 márciusáig tartó O3 megfigyelési periódus termése, különlegességük okán ezeket a teljes észlelési listától külön publikálták. Legutóbb 2020. október végén történt nagyobb adatközlés a LIGO-Virgo kollaboráció részéről. Akkor a harmadik megfigyelési időszak első feléig (O3a) bezárólag mutattak be észleléseket, kereken ötvenre növelve a felfedezett gravitációs hullámok számát. Az O3b-nek a koronavírus-járvány első hulláma vetett véget idő előtt, ám a későbbi teljes adatközlés így is további néhány tucattal növelheti az egyre színesebb gravitációshullám-katalógust.
A gravitációshullám-detektorok működési ideje és érzékenysége az eddigi és tervezett megfigyelési időszakok során. A számadatok az effektív távolsághatárokat mutatják, 1 Mpc (megaparszek) kb. 3,26 millió fényévnek felel meg. (Forrás: LIGO Scientific Collaboration)
Jelenleg mindegyik detektor további fejlesztéseken esik át, tovább növelve az érzékenységüket a nyáron kezdődő O4 megfigyelési időszakra. Ez egyben azt is jelenti, hogy távolabbi, egyszersmind több gravitációs hullámforrást fogunk tudni észlelni. Míg az O3 során a LIGO detektorok egy átlagos feketelyuk-páros összeolvadását kb. 400 millió fényévig voltak képesek kimutatni, addig ugyanerre az érzékenységre a később induló Virgo és KAGRA is képes lesz, a livingstoni és hanfordi berendezések akár 600 millió fényéven túlról is képesek lesznek kiszúrni ezeket a forrásokat. Ahogyan azonban a fenti példák is mutatják, a különleges összeolvadások erősebb jeleit akár még távolabbról is “meghallhatjuk”.
És lenne is mit hallani: a statisztikai becslések alapján a Föld egymilliárd fényéves környezetében havonta legalább egy összeolvadást lehetne detektálni egy fekete lyuk és egy neutroncsillag között!
Ha tetszett a bejegyzés, látogass el a Csillagvizsgáló Facebook oldalára is, ahol napi rendszerességgel találhatsz csillagászati és űrkutatási híreket, látványos felvételeket és egyéb aktualitásokat - tudományról és science fictionről egyaránt.
