Előfizetés a lapra

Gravitációshullám-kutatás Európában

A hét kutatója, asztrofizika, fizika, gravitációs hullám, interjú, VIRGO

2017/09/29

A tavalyi esztendő legnagyobb tudományos szenzációját a gravitációs hullámok felfedezése jelentette. A történelmi eredményt az USA-ban működő LIGO berendezéssel érték el. Erről többször írtunk lapunkban is. Nemrégiben fejeződött be az európai detektor, a Virgo fejlesztése, a múlt héten pedig újabb észlelést jelentettek be a szakemberek. Vasúth Mátyással (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont) a magyar Virgo-csoport vezetőjével arról beszélgettünk, milyen új lehetőségeket jelent a két rendszer összekapcsolása és milyen szerepe van a kutatásokban a hazai szakembereknek.

– Azzal indult neki a fizikusi pályának, hogy majd ön fogja felfedezni a gravitációs hullámokat?

– A gimnáziumban még a matek és a fizika között gondolkodtam, de mindig is az érdekelt, mi a magyarázata annak, ahogy a dolgok történnek. Ezért fizikusnak jelentkeztem az ELTE-re, ahol az elméleti fizika és az asztrofizika foglalkoztatott. A gravitációs hullámok kutatásáról itt hallottam először. A témavezetőm, Perjés Zoltán hatására kezdett el érdekelni, sőt a diplomamunkámat és a doktori disszertációmat is már ebből készítettem. 

– Miért olyan fontos a gravitációs hullámok kimutatása?

– A gravitációshullám-csillagászat célja, hogy egy új megfigyelési ablakon keresztül nézhessünk az univerzumra és így olyan információkat kaphatunk, amelyek máshogyan nem érhetők el. Ilyenek a nagyon sűrű tartományok, vagy az univerzum korai állapota, például a kozmikus háttérsugárzás keletkezése előtti állapot. Ehhez az szükséges, hogy a detektorok érzékenysége nagyon nagy legyen.

– Mi az a Virgo?

– A Virgo, a LIGO-hoz hasonlóan, egy lézerinterferometrikus gra­vi­tá­ci­óshullám-detektor. A berendezés Olaszországban, Pisa mellett épült két egymásra merőleges, 3 km hosszúságú vákuumkarral. A LIGO-val közösen, a 2000-es évek elején kezdte meg a működését. Mint az első generációs detektoroknak, a Virgo-nak sem volt elegendő az érzékenysége a gravitációs hullámok közvetlen megfigyeléséhez. Ezért 2011 tavaszán megkezdték az érzékenységnöveléshez szükséges technikai fejlesztéseket. A munka idén februárban fejeződött be.

Légifelvétel a Virgo detektorról

(KÉP: VIRGO COLLABORATION/N. BALDOCCHI)

– Miért nem elég a LIGO, ami tulajdonképpen már bizonyított?

– A gravitációshullám-detektorok nem irányérzékenyek. A jeleket egyszerre minden irányból képesek detektálni, de ez azt is jelenti, hogy egy detektorral nincs lehetőség a forrás irányának meghatározására. Két detektorral is csak egy körgyűrűn belül, vagyis az éggömb viszonylag nagy területén lehet behatárolni a forrás pozícióját, amit a hullámjel két detektorba való beérkezési idejének különbségéből lehet meghatározni. A valóságban ennél egy kicsivel többet is lehet mondani: a két eszközben mért hullámjel fázisának és amplitúdójának összehasonlításával egy banán alakú területre korlátozható a forrás égi helyzete. Ez azonban még mindig hatalmas terület a jel pontos beazonosításához. Három detektorral a pozíció a jelenlegi megfigyelések több mint tizedére, azaz néhány teliholdnyi területre csökkenthető. Három detektorral nemcsak a forrás helyének pontosabb meghatározása válik lehetővé, hanem a gravitációshullám-észlelések összeköthetők a hagyományos csillagászati megfigyelésekkel is. Ezen felül fontos még, hogy a LIGO mérésektől függetlenül, egy harmadik detektorral is közvetlenül meg lehet majd figyelni a gravitációs hullámokat.

– Mennyiben más a Virgo, mint a LIGO?

– A két detektor működési elve ugyanaz, a technikai megvalósítások azonban mások. Az amerikai detektor 4 km karhosszúságú, az európai 3 km, de a legfontosabb részüket, a vákuumkarokban lévő tükröket mindkét detektor számára ugyanaz a francia kutatóintézet gyártja. Különböznek például a szeizmikus izoláció, a földmozgások kiszűrésének megvalósítása szempontjából, valamint az érzékenységük is kicsit eltérő. A LIGO érzékenységével összehasonlítva a tervezett kezdeti érzékenység valamivel kisebb, mint az amerikai detektoré, de ez a különbég nem nagyobb, mint egy 2-es szorzó. A további fejlesztések ezt a különbséget csökkentik.

– A magyar Virgo-csoport tagjai miben és hogyan vesznek részt a gravitációs hullámok keresésében?

– Mi a Wigner Fizikai Kutatóintézetben az olasz Virgo együttműködéshez csatlakoztunk, azon belül vagyunk egy csoport. Főként elméleti munkát végzünk. Részt veszünk az adatelemzéshez használt számítástechnikai eljárások és algoritmusok fejlesztésében, a grafikus processzorok, GPU-k alkalmazásában. Ezek célja az elemzések gyorsítása. Többnyire excentrikus pályán mozgó kettőscsillagok jelein dolgozunk, azt vizsgálva, hogy a kettősök forgása hogyan befolyásolja a jel alakját. Ezt a kérdés kevésbé vizsgálják a kollaboráción belül. Az én doktori témám is a forgó kettősökről szólt, és ezt vittük tovább.

 Részt veszünk még az általános, forgó és elnyújtott pályán mozgó fekete lyukak mozgásának és hullámforma-jóslatainak fejlesztésében. Ezek a paraméterek a detektorok érzékenységének növekedésével pontosan meghatározhatóvá válnak. Az összeolvadó, nagy tömegű csillagok jeleinek keresésében, valamint a eredményeket ellenőrző csoportok munkájában is közreműködünk.

 Az eddig megfigyelt gravitációshullám-források elhelyezkedése az éggömbön

(KÉP: LIGO/AXEL MELLINGER)

Mi tehát az európai együttműködéshez kapcsolódunk, de az európaiak és az amerikaiak között is van megállapodás az adatok, számítógépes erőforrások megosztására, az algoritmusok közös fejlesztésére. Az ELTE-n  és a Szegedi Tudományegyetemen is működik két csoport Frei Zsolt és Gergely Árpád László vezetésével, akik viszont az amerikai LIGO-hoz kapcsolódnak. Magyarország tehát több lábon áll ezen a területen.

– Mikor indulhat a két projekt együtt és milyen eredményeket várnak?

– Idén februárban a Virgo fejlesztése befejeződött, a több éves átalakítás alatt megtörtént az összes fontos összetevő cseréje, és mostanra a lézerfény rezonáns állapotban fut mindkét detektorkarban. A detektor fejlesztett érzékenységét az üzembe helyezés során, az egyes elemek finomhangolásával, a zajforrások kiszűrésével éri majd el. A tervek szerint rövidesen a Virgo is csatlakozik a jelenleg is futó LIGO mérésekhez.

– Eddig három bizonyított megfigyelés történt. Ha minden rendben megy, akkor már „csak” technikai kérdés lesz, hogy újabb és újabb hullámokat észleljenek, vagy szükség lehet még a kutatói kreativitásra is?

– Az érzékenység mellett nagyon fontosak a kiértékelő algoritmusok. Az elmúlt években ezek a kiértékelő módszerek sokat finomodtak, jól be vannak állítva, ezeket használják a kutatóközösség tagjai. Vannak online algoritmusok is, melyek közvetlenül figyelik a jeleket, nem is kell hozzá emberi beavatkozás. Utána persze kiértékelik más módszerekkel is, de az ember a saját algoritmusait, ötleteit is kipróbálhatja. Van szerepe az egyéni kreativitásnak, mert például a múltbeli adatsorokat is újra végig lehet szkennelni.

– A gravitációs hullámok kimutatása hogyan befolyásolja az itthoni kutatások jövőjét?

– A hullámok vizsgálata mellett az Einstein-teleszkóppal (ET) kapcsolatos előkészítő munkálatokban is részt veszünk. A jelenlegi detektoroknál egy nagyságrenddel érzékenyebb rendszert terveznek. Az érzékenységet a földalatti telepítéssel és a hűtött tükrökkel növelnék. Ebből nem is készülne több Európában, mert nagyon nagy lesz a mérete és persze a költségvetése is. Nagyon fontos az 1 és 10 Hz közötti tartomány, ennek a detektornak ebben kell érzékenynek lennie. A jelenlegiek 20 Hz és afölött mérnek. De nagyon sok forrás ennél alacsonyabb frekvencián sugároz. Az 1-10 Hz azért is fontos, mert ezt a tartományt még el lehet érni földi műszerekkel. Egy holland csoport Európában 11 helyet mért föl és a próbamérések során Szardínia szigete, valamint a Pireneusok mellett a Mátra is nagyon csendes helynek bizonyult.

 TRUPKA ZOLTÁN

 

2017/23