A LIGO harmadszor is gravitációs hullámokat észlelt

2017.06.01.
A LIGO harmadszor is gravitációs hullámokat észlelt
A Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) harmadszor is a téridő fodrozódásait, azaz gravitációs hullámokat észlelt azt demonstrálva, hogy a csillagászatnak valóban egy új ága született meg. Ahogy az első két észlelés esetén, ezek a hullámok is akkor keletkeztek, amikor két fekete lyuk összeolvadt, létrehozva ezzel egy nagyobb fekete lyukat. A LIGO nemzetközi kollaborációs projektjében ELTE-s kutatók is részt vesznek.

Az összeolvadás során keletkezett, újonnan felfedezett fekete lyuk tömege körülbelül 49-szer akkora, mint a Napé: ez az érték a LIGO által korábban észlelt két – 62, illetve 21 naptömegű –, szintén összeolvadásból származó fekete lyuk tömegének értékei közé esik. „Újabb megerősítést kaptunk olyan, csillagokból keletkezett fekete lyukak létezésére, amelyek 20 Naptömegnél nagyobbak. Ilyen tömegű objektumok létezéséről nem tudtunk azelőtt, hogy a LIGO észlelte volna őket” – mondta David Shoemaker, a LIGO Scientific Collaboration (LSC) szóvivője. Az LSC nemzetközi együttműködése több mint 1000 kutatót tömörít, akik a LIGO kutatásait az európai The Virgo Collaboration-nel közösen végzik.

Az új – GW170104 nevet viselő – észlelés a LIGO jelenleg is zajló, O2 elnevezésű, 2016 decemberében kezdődött és 2017 nyarának végéig tartó megfigyelési időszakában történt. Az elemzéseket két azonos detektor végzi, melyeket az Egyesült Államokban a Caltech és az MIT egyetemek működtetnek, a National Science Foundation (NSF) támogatásával. Az egyik detektor Hanfordban, a másig pedig Livingstonban található. A 2015 szeptemberében történt első észlelés óta ez a mostani a harmadik alkalom, hogy gravitációs hullámokat észleltek. A legutóbbi jel érkezett eddig a legtávolabbról: a fekete lyukak összeolvadása tőlünk mintegy 3 milliárd fényévnyire történt.

"Most már tisztán látszik, hogy a gravitációshullám-detektorok valóban új ablakot nyitnak a világegyetemre, és megkezdődhet az asztrofizika ezen új ágának megfigyelési korszaka"

– nyilatkozta Frei Zsolt, az Eötvös Loránd Tudományegyetem professzora, az ELTE LIGO- tagcsoportjának vezetője. „A kérdés már nem az, hogy tudjuk-e észlelni a gravitációs hullámokat, hanem az, hogy hogyan és mire tudjuk használni ezeket a jeleket az asztrofizikában és a világegyetem megértésében."

A detektorok által észlelt ütközések az adott rövid időpillanatban nagyobb teljesítményt bocsátanak ki, mint amekkorát a világegyetem összes csillaga és galaxisa együttvéve fény formájában kisugároz.

A legújabb észlelés arról is árulkodik, hogy a fekete lyukak milyen irányú tengelyek körül forogtak. Miközben a fekete lyukak egymás körül keringenek, egyúttal a saját tengelyük körül is forgást végeznek – mint amikor két forgó korcsolyázó egymás körül táncol a jégen. A fekete lyukak esetenként a keringésük tengelyével azonos irányban forognak – amit az asztrofizikusok összehangolt forgásnak neveznek – néha pedig a keringési tengellyel ellentétes irányban végzik a forgásukat. Mi több, a fekete lyukak forgástengelye akár ferdén is állhat a keringés síkjához képest: így a fekete lyukak forgástengelye végső soron bármilyen irányba mutathat.

A LIGO által most észlelt jel tulajdonságai arra utalnak, hogy legalább az egyik fekete lyuk forgástengelye más irányba állt, mint a kettős keringési tengelye, azonban több LIGO-észlelésre van szükség ahhoz, hogy egyértelmű kijelentést lehessen tenni a feketelyuk-kettősök forgásáról.

"Most először van bizonyítékunk arra, hogy két fekete lyuk forgása nem összehangolt, ami arra utal, hogy az észlelt kettős egy sűrű csillaghalmazban, befogódással keletkezett"

– mondta Raffai Péter, az ELTE adjunktusa. „Az Eötvös Loránd Tudományegyetem LIGO- tagcsoportjaként az elsők között voltunk a LIGO-kollaborációban, akik ezzel a keletkezési mechanizmussal foglalkoztunk. A mostani felfedezés megerősítést jelent a számunkra abban, hogy a kutatásainkkal jó úton haladunk.”

A feketelyuk-kettősök létrejöttének két modellje ismert: az első modell szerint a fekete lyukak együtt keletkeznek, a másik modell szerint a fekete lyukak csak a kialakulásuk után találkoznak egymással, sűrű csillaghalmazokon belül. A fekete lyukak azután alkotnak kettősrendszert egymással, hogy mindketten a csillaghalmaz közepébe süllyedtek. E folyamat eredményeként a fekete lyukak bármilyen irányban foroghatnak a keringés síkjához képest. Mivel a LIGO több bizonyítékát látja annak, hogy a GW170104 fekete lyukai nem összehangoltan forogtak, az adatok valamivel jobban alátámasztják a sűrű csillaghalmazokban keletkezés elméletét.

Az ELTE Atomfizikai Tanszékén folyó asztrofizikai kutatások több szállal is kapcsolódnak a most születő gravitációshullám-asztrofizika témaköréhez. Kocsis Bence, a tanszék adjunktusa 2014-ben ERC Starting Grant pályázatot nyert, ennek keretében sűrű csillaghalmazok fizikájával foglalkozik az ELTE LIGO-tagcsoportjával együttműködve. Pontosan ilyen környezetben alakulnak ki azok a feketelyuk-párok, amelyek gravitációshullám-jelét most észlelték.

A LIGO–Virgo együttműködés kutatói tovább folytatják a legújabb adatok átfésülését a világegyetem távoli régióiból érkező téridő-fodrozódások után kutatva. Újabb technikai fejlesztéseken is dolgoznak a LIGO következő adatgyűjtő időszakára készülve, mely várhatóan 2018 végén kezdődik el, miután a detektorok érzékenységét tovább finomították.  A kutatók abban bíznak, hogy a gravitációs hullámok észlelését követően hamarosan olyan, másfajta asztrofizikai eseményeket is megláthatnak majd a műszerek segítségével, mint amilyenek például a neutroncsillagok nagyenergiájú ütközései.

Az ELTE-n működő Eötvös Gravity Research Group (EGRG) 2007 óta az LSC tagja. A csoport vezetője Frei Zsolt tanszékvezető professzor, az MTA-ELTE Lendület Asztrofizikai kutatócsoport vezetője, az EGRG adatelemző munkáit Raffai Péter adjunktus vezeti. A csoport az LSC valamennyi tevékenységi köréhez nyújt hozzájárulást: műszerépítéssel segítette a LIGO-detektorok zajszintcsökkentését; a csoporttagok műszak- és riasztási felügyeletet látnak el a LIGO-detektorok adatgyűjtési időszakai alatt mind a detektorállomásokon, mind a távolból; forrásmodellező munkájukkal és jelkereső program fejlesztésével a gravitációshullám-jelek észlelési és kiértékelési hatékonyságát maximalizálják. Az EGRG készítette azt a galaxiskatalógust, amelyet az LSC az észlelt jelek forrásgalaxisainak azonosításához használ. Az EGRG tagjai segítik a jövőben építeni tervezett detektorok (köztük a tervek szerint Indiában épülő LIGO- detektor) optimális elhelyezésének megtalálását.

Az ELTE LIGO-tagcsoportjának kutatói

A gravitációs hullámok detektálásának kutatási programjában több mint 1000 tudós vesz részt a világ minden tájáról a LIGO Scientific Collaboration együttműködésen keresztül, amely a GEO Kollaborációt is magába foglalja. A LIGO partnere a The Virgo Collaboration, mely további 280 európai tudós konzorciuma.

További információk a felfedezésről

Fotó: LSC/Sonoma State University/Aurore Simonnet