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.
– 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.
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
