Csillagvizsgáló

Új gravitációs hullám-hegy!

2021. november 08. - PFreddy

Megjelent a LIGO-Virgo együttműködés legújabb katalógusa, amely immáron kilencvenre növeli a megfigyelt gravitációs hullámok számát. A nagy tömegű, kompakt objektumok összeolvadásából származó jelek listája a legutóbbi, 2020 októberi közzététel óta 35 új gravitációs hullámmal bővült, köztük több olyan felfedezéssel is, amelyek során egy neutroncsillag és egy fekete lyuk egyesült.

black-hole-gravitational-wave-illustration.jpg

A gravitációs hullám nem más, mint a téridő rezgéseinek tovaterjedése. Hasonlatos egy tóba dobott kavics nyomán a víz felszínén kialakuló fodrozódásokhoz, csak éppen a téridő esetében a távolságok (és ezzel együtt a méretek) nőnek meg, majd csökkennek le. Ahogyan azt Einstein általános relativitáselmélete is megjósolta, gravitációs hullámokat kelt minden tömeggel bíró test a gyorsuló mozgásuk során. Ám a méretváltozások olyan rendkívül kismértékűek, hogy maga Einstein sem hitt benne, hogy valaha is kimutathatóak lesznek. Néhány éve azonban ez már realitássá vált, igaz, egyelőre csak nagy tömegű, kompakt objektumok esetén vagyunk képesek gravitációs hullámokat felfedezni. Vagyis a fenti példában szereplő tóba hajított kavics a modern asztrofizika számára általában két fekete lyuk egymáshoz való közeledése, majd összeolvadása. Az újonnan keletkezett fekete lyuk tömege némiképp elmarad a szülőobjektumok össztömegétől, a különbözet pedig gravitációs hullámok formájában távozik az összeolvadás helyszínéről.

gravitywave_2.gif

A feketelyuk-összeolvadások a sok millió fényéves távolságban lévő Földön tipikusan 10-23-os relatív méretváltozást okoznak – ez egy kilométeres távolságra vetítve egy proton átmérőjének 1/4000-ed (0,00025) részét jelenti! Azonban az ilyen rendkívül kicsiny méretváltozások kimutatása is lehetséges a fény hullámtermészete révén. A gravitációshullám-detektor lelke egy nagy teljesítményű lézer, amelynek fényét két részre osztják, majd több km megtétele után újra egyesítik őket, és ún. interferenciamintázatot hoznak létre (mint amikor két hullámfront találkozik a tóban, és megnézzük, mi sül ki az összecsapásukból). Ha a berendezésen áthalad egy gravitációs hullám, az megnyújtja a fénynyaláb útját, és a lézerfény hulláma más fázisban fog a találkozóhelyre érni – így pedig változni fog az interferencia képe is. Jelenleg a világon négy ilyen detektor működik: kettő az Egyesült Államokban (LIGO I és II), egy Olaszországban (Virgo), 2019 második felétől kezdve pedig egy Japánban is (KAGRA).

virgo_detector_2.pngA 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)

A folyamatos fejlesztések révén az utóbbi években gyorsult a gravitációs hullámok felfedezésének üteme, amelynek eredményeként a tavaly októberben publikált lista már félszáz észlelést tartalmazott. Köztük több olyan jelet is sikerült észlelni, amelyek különlegesnek számító összeolvadásokból származtak. Ilyenek voltak a két neutroncsillag összeolvadásából születő gravitációs hullámok (GW170817 és GW190425, a számsorok a detektálás dátumát jelzik), az első nagymértékben aszimmetrikus feketelyuk-páros (GW190412) egyesülése, a neutroncsillagok felső tömeghatárán billegő objektum felfedezése (GW190814), és végül az elsőként detektált közepes tömegű fekete lyukat eredményező összeolvadás (GW190521) gravitációshullám-eseménye.

o3b_cumulated.jpgAz észlelések száma az eddigi mérési időszakok során. Az alsó tengelyen a detektorok mérési idejének és érzékenységük által korlátozott térrész szorzata található (utóbbinál 0,001 Gpc ~ 3,26 millió fényév). (Forrás: Martin Hendry, Hannah Middleton)

A LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés frissen közzétett legújabb katalógusa, amely a 2020 márciusáig tartó harmadik mérési periódus (O3) összes felfedezését tartalmazza, a korábbi verzióhoz képest 35 új észleléssel növeli az ismert gravitációs hullámok számát. Ezek a jelek döntő többségben továbbra is feketelyuk-feketelyuk összeolvadásokból származnak, tovább gyarapítva ezzel a rejtélyes objektumok statisztikai mintáját. Két újonnan megszülető objektum tömege ráadásul a száz naptömeget is meghaladja, ezzel pedig a kutatók számára kiemelten fontos közepes méretkategóriájú fekete lyukak közé tartoznak. Ezek tanulmányozása segíthet összekapcsolni a csillagrobbanások (az ún. szupernóvák) során megszülető kis tömegű fekete lyukakat a galaxisok centrumában található szupernagy tömegű fekete lyukakkal, utóbbiak kialakulását ugyanis mind a mai napig homály fedi.

gw_mergers2.jpgMinden egy helyen: a LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés által észlelt gravitációs hullámok forrásai az egyes megfigyelési időszakok során (O1, O2, O3a és O3b). (Forrás: OzGrav, Swinburne University of Technology/Carl Knox)

A friss katalógus három olyan hullámot is jegyez, amelyek neutroncsillag-feketelyuk összeolvadásokból születtek; közülük kettő felfedezését már idén júniusban bejelentették, mint a neutroncsillagok elnyelésének első példáit. A harmadik, GW191219 jelű gravitációs hullám szülőobjektumai azonban még ez utóbbiakhoz képest is igazi kuriózumnak számítanak, a 33 naptömegű fekete lyuk által bekebelezett neutroncsillag ugyanis mindössze 1,17 naptömegű volt – ez az (elektromágneses hullámok megfigyelését is beleértve) az eddig talált egyik legkisebb tömegű neutroncsillag!

A rendkívül kis méretű, tipikusan csak néhány tíz km-es, és ezáltal elképesztő sűrűségű neutroncsillagok szintén szupernóva-robbanásokban keletkeznek. Hogy egy csillag megsemmisülése során neutroncsillag vagy fekete lyuk marad hátra, az elsősorban a csillag eredeti tömegének függvénye (a tankönyvi példa alapján kb. húsz naptömeg felett számíthatunk fekete lyukra). A robbanásból hátramaradó objektumok kialakulásának feltételei azonban mind a mai napig nem ismertek pontosan, e téren pedig jelenleg csak a gravitációs hullámok megfigyelése révén meghatározott tömegek jelenthetnek támpontot.

bns_tidal_disruption_1.pngEgy 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 maradványobjektumok változatos tömegeit illetően érdekes példa a szintén most közölt GW200210, amelyben szereplő kisebb objektum 2,8 naptömegű – ez vagy egy extrém könnyű fekete lyuk, vagy egy nagyon nehéz neutroncsillag. Jelenlegi ismereteink alapján egy neutroncsillag elvi tömeghatára a Napunk tömegének 2,5-szerese; efelett a maradványcsillag saját gravitációja alatt fekete lyukká omlana össze. Ugyanakkor, a kettős rendszerek röntgentartományon való megfigyelései (a fekete lyukak felfedezésének elsőszámú módszere) során mind ez idáig nem sikerült olyan fekete lyukat azonosítani, amelynek tömege 4 naptömegnél kisebb lett volna. A gravitációs hullámok tanulmányozása tehát rámutatott arra, hogy ez irányú ismereteink felülvizsgálatra szorulnak: vagy a neutroncsillagokkal kapcsolatos elméleteinket, vagy a röntgenkettősöket célzó obszervációkat kell tovább fejleszteni.

stellar_graveyard_o3b_hu.pngAz összes eddig megfigyelt neutroncsillag és fekete lyuk tömegei; a gravitációs hullámok révén felfedezett objektumok esetében kettőből mindig egy harmadik keletkezett (lásd, függőleges nyilakkal összekötött pöttyök). Kattints a képre a nagyobb verzióért! (Forrás: LIGO-Virgo/Northwestern University/Aaron Geller)

Bár a gravitációshullám-észlelések szinte mindennapossá váltak az O3 megfigyelési periódus során (~75 felfedezés egy év alatt), a kis elemszámú minta miatt minden új felfedezés nagy jelentőséggel bír. A jövőbeli megfigyelési időszakok pedig még ennél is több különleges eseményt fognak regisztrálni, egyszersmind a csillagászat és kozmológia területén is új felfedezések fognak születni. Az előrelépés záloga egyfelől a folyamatos fejlesztés, emiatt jelenleg is szünetelnek a LIGO-Virgo detektorok mérései. Az előreláthatóan 2022 második felében induló O4 megfigyelési időszakra az említett berendezések érzékenysége várhatóan jelentősen megnő, így akár már 600 millió fényéves távolságból is képesek leszünk feketelyuk-összeolvadásokat észlelni. Ráadásul a két amerikai LIGO, az Olaszországban található Virgo detektorokhoz ekkora már teljes kapacitással fog társulni a japán KAGRA berendezés, ami 2020-ban még a tesztüzemét végezte. Az újabb detektor révén könnyebben kiszűrhetővé válnak az esetleges zajok, és a korábbinál sokkal pontosabban meghatározhatóvá válik a gravitációs hullámok beérkezési iránya. Így pedig reális esély kínálkozik arra, hogy újra sikerüljön megtalálni egy összeolvadás nyomát a látható fény tartományában is. Az egyedüli ilyen forrás továbbra is a 2017-ben felfedezett neutroncsillag-összeolvadás (GW170817), ami a csillagászat jövőjét jelentő többcsatornás csillagászat első példája volt.

Ez az izgalmas jövőkép pedig még csak a jéghegy csúcsa: az öt éven belül indulhat a LIGO-India, másfél évtized múlva pedig megvalósulhat az űrbe tervezett LISA detektor.

lvk_run_plan_190711_2.pngA menetrend, amelyet a pandémiás helyzet némiképp felülír: az O4 leghamarabb jövő ősszel fog elindulni. A számadatok az effektív távolsághatárokat mutatják, 1 Mpc (megaparszek) kb. 3,26 millió fényévnek felel meg. (Forrás: LIGO Scientific Collaboration)

 

A LIGO-Virgo-KAGRA nemzetközi együttműködésben több száz intézet közel kétezer kutatója dolgozik, köztük magyarok is. A hazai kutatócsoportok közül az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Gravitációfizikai Kutatócsoportja a Virgo interferométernél működik közre; míg a Szegedi Tudományegyetem, a budapesti Eötvös Loránd Tudományegyetem munkatársai a LIGO kollaborációban vállalnak szerepet. Utóbbi csoport honlapján további közérthető anyagok találhatnak a gravitációs hullámok iránt érdeklődők.

nevtelen_10.pngKattints a képre további érdekes anyagokért a gravitációs hullámokról!

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.

A bejegyzés trackback címe:

https://csillagvizsgalo.blog.hu/api/trackback/id/tr9316749306

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.

Kurt úrfi teutonordikus vezértroll · matyimentes.blog.hu 2021.11.09. 22:29:47

Azt elfogadom hogy a gravitációs hullám képvisel energiát. De miben nyilvánul ez meg?
Továbbá ha az egymás körül forgó nagy tömegű testek forgástengelye irányában vagyunk, akkor ezt ugye nem észleljük?
Ha megváltoztatja a fény hullámhosszát, akkor energiát közöl vele. Akkor az energia egy része elveszik? Hogy hat ez az energia a nagyobb, nyugalmi tömegű testekre? Ott is veszít energiát?

PFreddy 2021.11.09. 23:31:18

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll:
"Azt elfogadom hogy a gravitációs hullám képvisel energiát. De miben nyilvánul ez meg?"

A téridő lokális megváltozatásában (illetve annak tovaterjedésében). Mintha egy kilós súlyt folyamatosan letennénk valahova, majd elvennénk onnan (és mindez megy tova...): nem a súly cipelése képviseli az energiát, hanem az, ahogy a jelenlévő tömeg deformálja a téridőt, majd eltűnik ez a hatás.

"Továbbá ha az egymás körül forgó nagy tömegű testek forgástengelye irányában vagyunk, akkor ezt ugye nem észleljük?"

Úgy sejtem igen: ha mindkét objektum forgástengelye merőleges a közös keringési síkjukra, és ez a látóirányunkba esik, akkor nem érzékelünk tovaterjedő téridő torzulást (de ebben csak nagyjából vagyok magabiztos).

"Ha megváltoztatja a fény hullámhosszát, akkor energiát közöl vele. Akkor az energia egy része elveszik?"
A fény hullámhosszát nem változtatja meg a gravhullám, pusztán a detektorban megtett útjukat.

"Hogy hat ez az energia a nagyobb, nyugalmi tömegű testekre? Ott is veszít energiát?"

Hú, ez fogós. Elvileg igen, de a közelében sem vagyunk annak, hogy ezt kimutassuk. Az alábbiakban van egy szemléletes leírás:
physics.stackexchange.com/questions/255763/at-what-rate-do-gravitational-waves-lose-energy-and-amplitude

arthurthedent 2021.11.10. 06:49:39

"kilencvenre növeli a megfigyelt gravitációs hullámok számát."

Mármint a megfigyelt hullámforrások számát.;)

midnight coder 2021.11.10. 07:15:27

Én ezt az egész tér görbüléses dolgot nem teljesen értem. Ha a tér be tud görbülni - ahogy ezt a legfelsõ modell illusztrálja - akkor kell valami ahová tud görbülni - azaz kell legalább még egy dimenzió. Plusz kell, hogy legyen abban a dimenzióban hely ahová görbülhet - azaz a téren kívül is lennie kell valamiféle "térnek". Vagy ez a görbülés csak sûrûség változás?

arthurthedent 2021.11.10. 16:14:35

@midnight coder: Igen, érdekes ez.

Ha hullám, akkor a "görbülés" nagy távolságú átlaga lehet nulla, szóval a tér maga "kívülről" nem változik. De persze a tömeg is hajlítja a teret. Ha a világegyetem végtelen, akkor megint csak nincs semmi fura, a "hajlított" pont úgy végtelen mint a nem hajlított.

De persze a fizikusok szerintem valami olyasmivel válaszolják ezt, hogy nem lehet így elképzelni, nem így működik, nem jó a kérdés. A téren kívül nincs semmi, nem "valamibe" hajlik a tér bele, mert nincs ott semmi. Igaz, amikor a modern fizikát próbálja meg intuitív módon elképzelni az ember rendre kudarcot vall. :(

korxi 2021.11.12. 17:51:15

@Kurt úrfi teutonordikus vezértroll: A fénnyel nem közöl energiát, ahhoz ténylegesen hozzá sem nyúl, nem hat kölcsön vele. Azt a teret változtatja meg nagyon kicsit és nagyon rövid időre, amiben a fotonokból álló fénysugár (lézersugár) halad. Mivel a fotonnak nincs tömege, nem tartja össze gravitáció, így szabadon tud tágulni azzal a térrel együtt, amiben halad. És ezt aztán mi tényleg a fény hullámhossz-növekményeként éljük meg, anélkül hogy ez valóban megtörténne a saját terében (legalábbis kb. így gondolom).

gigabursch 2021.12.16. 20:43:15

Nekem az még mindig kérdéses, hogy ennek az ismeretnek milyen módon fog majd tudományként földre érni a lába...

midnight coder 2021.12.27. 13:20:03

@arthurthedent: Ehhez viszont a tér sûrûségének kellene megváltozni.
süti beállítások módosítása