Előfizetés a lapra

Gravitációs hullámok hátán a csillagok között

A hét kutatója, asztrofizika, fekete lyuk, gravitációs hullám, interjú, LIGO

2017/10/11

A gravitációs hullámok közvetlen észlelése a tudomány legnagyobb teljesítményei közé tartozik. Kocsis Bence asztrofizikus, az Európai Kutatási Tanács legrangosabb kutatási támogatásával, az ERC Starting Granttel tért haza Amerikából az ELTE Atomfizikai Tanszékére, ahol egy új nemzetközi asztrofizikai kutatócsoportot alapított. A gravitációshullám-észlelések asztrofizikai értelmezésével foglalkoznak. Vizsgá-lataik alapján a közeljövőben szupermasszív fekete lyukakat is ki lehet majd mutatni, illetve pulzár típusú neutroncsillagok segítségével is mérni lehet a gravitációs hullámokat.

– Hogyan változott meg a munkája 2016. február 11-e után?

– A gravitációs hullámok felfedezésének bejelentése további lendületet és még több lelkesedést adott mindenkinek, aki ezen a területen dolgozik, sőt távolabbi témákon dolgozó kollégák figyelmét is kivívtuk. Az első észlelés számos meglepetést hozott, ami épp egybecsengett egy 2009-ben írt cikkünk jóslatával. Kiderült, hogy léteznek nagyobb tömegű fekete lyukak, akár 30-szor akkorák, mint a Nap. Már 2016 februárja előtt is terjengtek hírek a felfedezésről, ezért közvetlenül a bejelentés előtt mindenki őrült erővel dolgozott azon, hogy megjósolja a várható eseményeket. Az én kutatócsoportom, a GALNUC nem tagja a Frei Zsolt vezette magyar LIGO-csoportnak az ELTE-n, és mivel őket titoktartás kötelezte, tőlük semmit nem lehetett megtudni a 2015. szeptemberi észlelésről a hivatalos bejelentés előtt. A közlemény előtti napokban kiraktunk két további cikket, ami az ütköző fekete lyukak tömegeloszlásáról szólt, ha azok galaxismagokban vagy gömbhalmazokban ütköznek. A jelenlegi három megfigyelés ezekkel a jóslatokkal legalábbis konzisztens.

– Azt mondják, egy mérés nem mérés. De mire elég három?

– További észlelések kellenek ahhoz, hogy eldönthessük, hogyan jönnek létre ekkora fekete lyukak és hogyan kerültek olyan közel egymáshoz, hogy összeütközzenek. Persze az lenne érdekes, ha több száz mérés lenne, és lesz is a közeljövőben, mert a detektorok még nem érték el a tervezett érzékenységüket, főleg az alacsony frekvenciás tartományban, ahol a nagytömegű fekete lyukak jelei vannak. Korábban azt gondolták, hogy csak 15 naptömeg alattiak léteznek, illetve a szupermasszív fekete lyukak a galaxisok közepén több millió naptömeggel. A felfedezés óta tudjuk biztosan, hogy vannak 20–70 naptömegűek is, ezért nagyon fontos, hogy a műszer alacsony frekvenciás tartományban javuljon, ami várhatóan akár 2–5-ös faktorral tudja javítani a mostani érzékenységet. Ez azt jelenti, hogy ötször olyan messziről is kaphatunk jeleket, amelyek a zaj miatt most még nem érzékelhetők. Jelenleg viszonylag kis tartományt, körülbelül 1 milliárd fényév sugarú térfogatot látunk, ha meglesz ez az érzékenység, akkor tipikusan 2–5 milliárd fényévig látunk el, vagyis 8–125-ször annyi eseményt észlelhetünk. Az újabb műszerek VIRGO és a KAGRA üzembe­helyezése is nagyban növelheti az eseményszámokat. Ebből már lehet ellenőrizni az elméleteket, amik a jelenség létrejöttét, gyakoriságát, tulajdonságait stb. magyarázzák.

A fekete lyuk ütközési folyamata a galaxismagokban (KOCSIS BENCE ÁBRÁJA)

– Az Ön elméleti modelljeinek, számításainak eredményeit hogyan és mire használták, használják a gravitációs hullámok kutatásában?

– Amikor 2003-ban még gyakornokként voltam kint a LIGO-nál Amerikában, volt egy ötlet, amit a témavezetőm, Márka Szabolcs és a híres Kip Thorne (aki 2017-ben harmadmagával Nobel-díjat kapott a gravitációs hullámok kutatásáért - a szerk.) javasolt megnézni. Thorne az Einstein-egyenletek egyik legnagyobb ismerője, a nagyközönség az Interstellar című film szakértőjeként és producereként ismerheti. A lényege az volt, hogy nézzük meg, milyen gyakran haladnak el egymás mellett fekete lyukak a gömbhalmazokban és hogy a LIGO mérhet-e ebből valamit. Nagy sajnálatunkra az jött ki, hogy ez a folyamat tipikusan túl ritka. Azonban később rájöttünk ha elmegy egymás mellett két fekete lyuk, akkor előfordulhat, hogy a kibocsátott gravitációs hullámok által elvitt energia miatt már nem tudnak nagyon eltávolodni egymástól, és ellipszis pályán fognak keringeni egymás körül. Ezek után pedig minden közeli elhaladásnál gravitációs hullámokat fognak kibocsátani, mígnem összeütköznek. Ez a jel már elég erős lesz ahhoz, hogy látni lehessen a LIGO-val. Kiderült, hogy nagyon gyakoriak lesznek ezek a jelek, de csak akkor, ha léteznek az említett, viszonylag nagy, mintegy 30 naptömegű fekete lyukak. Megnéztük azt is, hogyan lehet detektálni őket, ebből jelentettük meg azt a tanulmányt 2009-ben, amire korábban utaltam. A tudományos közösségben először többen elutasították a feltételezésünket, a felfedezés óta viszont ennek a cikknek a hivatkozási száma exponenciálisan nő.

– Egy másik cikke szerint a fekete lyukak környéke tele van gázzal, amely rányomja a bélyegét a gravitációs hullámokra. Ez fordítva is igaz? Tehát a kapott jelből kiolvashatók a gáz tulajdonságai?

– Elvben igen, de ennek kimutatásához űrdetektorra van szükség, amit a jelenlegi tervek szerint 2034-ben indítanak. A LISA-val sokkal nagyobb pontossággal mérhetők majd az ütköző szupermasszív fekete lyukak, illetve a körülöttük keringő – feltételezett – naptömegű fekete lyukak is. Ezek sokkal lassabban spiráloznak be és a kibocsátott gravitációs hullámokat éveken keresztül lehet detektálni a beolvadásig. Ez elegendő idő arra, hogy nagyon kis effektusokat is ki lehessen mutatni. Az egyik, amit ki tudunk majd mutatni, az, hogy ebben az akkréciós korongban milyen a gáz struktúrája.

– Az technikafüggő, hogy csak a fekete lyukak által keltett gravitációs hullámokat találtak eddig?

– Igen, mert a fekete lyukak keltik a legerősebb hullámokat. De más égitestek és folyamatok is képesek rá. A következő nagy dolog, amire számítunk, a neutroncsillagok ütközése. Egy naptömegű fekete lyuk eseményhorizontjának sugara, ahonnan már nem jöhet ki fény, néhány kilométer. Egy ugyanilyen tömegű neutroncsillag sugara körülbelül 10 kilométer. Ha ezek összeütköznek, nemcsak gravitációs hullámok, hanem elektromágneses hullámok is keletkeznek. Nagyon érdekes lesz egyszerre látni mindkettőt. Továbbá egy magányos (tehát nem kettőscsillagot alkotó) forgó neutroncsillag is kelt gravitációs hullámokat, ha nem tengelyszimmetrikus. Elvileg ezt is lehet detektálni, ebből az égitest szerkezetéről kaphatunk megfigyelési adatokat.

Az ismert fekete lyukak tömege

 Az elméletek szerint a nagy távolságban, de egymás körül keringő szupermasszív fekete lyukak létrehozhatnak egyfajta gravitáció­s­hul­lám­-hátteret. Ezt is lehet majd észlelni, méghozzá pulzárok segítségével. Ha azt tapasztaljuk, hogy a pulzárok jeleinek érkezési ideje szisztematikusan eltolódik az égbolt egyik oldalán és másképpen az erre merőleges irányban az égbolt másik oldalán, akkor ki lehet mutatni ezt a bizonyos hátteret. Megvannak az elméleteink, hogy milyen gyakran ütköznek össze galaxisok, milyen gyakran ütköznek össze szupermasszív fekete lyukak és milyen erős jeleket várhatunk ezekből. Megállapítottuk azt is, hogy hány darab pulzárt milyen pontosan és mennyi ideig kell mérni. Az jött ki, hogy nagyságrendileg tíz pulzárt kell mérnünk tíz évig ahhoz, hogy detektáljuk ezeket a gravitációs hullámokat. Biztató, hogy vannak olyan pulzárok, amiket már 30 éve mérünk…

– Jelenleg itthon egy ERC-programot vezet. Ez milyen kapcsolatban van a gravitációs hullámokkal?

– A gravitációs hullámok eredetére következtetünk. A kutatócsoport neve, a GALNUC a program teljes angol címéből ered: Astrophysical Dynamics and Statistical Physics of Galactic Nuclei. A GALNUC tehát a galaxismag rövidítése. Célunk az, hogy megértsük a galaxis­ma­gok működését, dinamikáját. A galaxisok magjában rengeteg csillag van, továbbá fekete lyuk, szuper­masszív fekete lyuk, meg néha gáz is beáramlik, és ezeknek nagyon nagy hatása van a galaxisfejlődésre. A fekete lyukak rendeződése pedig egyedi gravitációs hullámformákhoz és elektromágneses jelenségekhez vezet.

 TRUPKA ZOLTÁN

 

2017/31