Újabb korszakalkotó felfedezés a gravitációs hullámok területén

Az elmúlt 15 évben a North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) Physics Frontiers Center galaktikus méretű gravitációshullám-detektort épített fel milliszekundumos pulzárokból a National Science Foundation (NSF) pénzügyi támogatásából működő rádiótávcsövek segítségével.

A milliszekundumos pulzárok kialudt, nagy tömegű csillagok maradványai; tengelyük körül másodpercenként több százszor fordulnak körbe, így rádiósugaraik – a világítótornyok fényéhez hasonlóan – periodikusan fel-felvillannó impulzusokként észlelhetőek. A gravitációs hullámok a teret és az időt jellegzetes mintázat szerint nyújtják és szorítják össze, ami az impulzusok közötti időközökben olyan változásokat okoz, amelyek a megfigyelt pulzárok mindegyikénél korrelálnak. Ezek a korrelált változások jelentik azt a sajátos jelet, amelynek észlelésén a NANOGrav dolgozik.

A NANOGrav korábban már felfedezett egy rejtélyes időzítési jelet, amely az összes vizsgált pulzárnál megfigyelhető volt. Ez azonban még nem volt elég erős ahhoz, hogy a tudósok az eredetét is megállapíthassák. A másfél évtizedes gyűjtőmunka eredményeképpen most azt feltételezik, hogy ez a jel a galaxisunkon áthaladó, finoman rezgő gravitációs hullámokból származik.

„Ez kulcsfontosságú bizonyíték a nagyon alacsony frekvenciájú gravitációs hullámokra – mondja Stephen Taylor, a Vanderbilt Egyetem munkatársa, a kutatás egyik vezetője, az együttműködés jelenlegi elnöke. – A felfedezés abszolút új ablakot nyit a gravitációs hullámok univerzumára."

Ellentétben a tünékeny, magas frekvenciájú gravitációs hullámokkal, amelyeket a LIGO (Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium) és a hozzá hasonló földi eszközök észleltek, ezt a tartós, alacsony frekvenciájú jelet csak a Földnél sokkal nagyobb detektorral lehet érzékelni. Ezért

a csillagászok galaxisunk egy részét hatalmas gravitációshullám-antennává alakították át,

amihez 68 egzotikus csillagról (ú.n. pulzárról) gyűjtöttek adatokat. Az ily módon létrejött detektort pulzáridőzítési hálózatnak nevezték el. "Az NSF NANOGrav csapata lényegében galaxis méretű detektort hozott létre, amely felfedi a világegyetemet átjáró gravitációs hullámokat – mondja Sethuraman Panchanathan, az NSF igazgatója. – Ez világszínvonalú tudományos innováció.”

Rádiótávcsövek (Fotó: NRAO/AUI/NSF)

A pulzárok szupernóva-robbanásban elpusztult hatalmas csillagok magjának ultrasűrű maradványai. Gyorsan forognak, miközben rádióhullám-sugarakkal pásztázzák a világűrt – így a Földről nézve úgy látjuk, mintha pulzálnának. A leggyorsabbak köztük az úgynevezett milliszekundumos pulzárok, amelyek másodpercenként több százszor fordulnak körbe tengelyük körül. Mivel impulzusaik rendkívül szabályosak, precíz kozmikus időmérőként használhatjuk őket.

„A pulzárok valójában nagyon halvány rádióforrások, ezért

a kísérlet végrehajtásához évente több ezer órányi megfigyelésre volt szükség a világ legnagyobb távcsöveivel

– mondja Maura McLaughlin, a Nyugat-Virginiai Egyetem munkatársa és a NANOGrav PFC társigazgatója. – Ezt az eredményt az tette lehetővé, hogy a National Science Foundation (NSF) kitartóan támogatta ezeket a kivételesen érzékeny rádiótávcsöveket."

Einstein általános relativitáselmélete pontosan megjósolja, hogy a gravitációs hullámok hogyan hatnak a pulzárok jeleire. A tér szövetének nyújtásával és összenyomásával a gravitációs hullámok kicsi, de kiszámítható módon befolyásolják az impulzusok ütemét. Egyes impulzusok a vártnál korábban, míg mások később érkeznek. Két különböző pulzárra mérhető eltolódások bizonyos mértékben összefüggnek, attól függően, hogy a két pulzár milyen távol látszik egymástól az égen.

„Nagy számú pulzárt kellett megfigyelnünk ahhoz, hogy meglássuk azt, amit az általános relativitáselmélet által megjósolt korrelációs mintázat első jeleinek gondolunk” – tette hozzá Xavier Siemens, az Oregon State University munkatársa, a NANOGrav PFC társigazgatója.

A NANOGrav-kutatás egyre több bizonyítékkal szolgál az éves-évtizedes időskálán rezgő gravitációs hullámok létezésére. Az adatok azt mutatják, hogy

e hullámok egy lehetséges forrásai olyan kettős csillagrendszereknek, amelyeknek a tagjai a világegyetem legnagyobb tömegű fekete lyukai,

tömegük több milliárdszorosa a Napénak, méretük pedig meghaladja a Nap és a Föld közötti távolságot. További kutatásuk segíthet megérteni a távoli galaxisok közepén összeütköző óriási fekete lyukakat és talán más egzotikus, alacsony frekvenciás gravitációshullám-forrásokat is.

Az ELTE részt vett a gravitációs hullámok első, 2015-ös, LIGO általi detektálásában, és hozzájárult a mostani NANOGrav eredményekhez is. Az egyetem nagy súlyt helyez arra, hogy munkatársai külföldön is tapasztalatot szerezzenek, és folyamatosan fogadjon külföldről is posztdoktorokat, ily módon is erősítve pozícióját a nemzetközi tudományos életben. 

Timothy Pennucci, a Frei Zsolt által vezetett ELKH-ELTE kutatócsoport posztdoktori kutatója az együttműködésben rádiótávcsöves megfigyeléseket végzett, elemzéseket készített, valamint időzítési modelleket dolgozott ki a NANOGrav több pulzárjához, és új eszközöket fejlesztett ki a pulzárok időzítésére. A NANOGrav pulzáridőzítési csoportjának vezetője volt 2020 és 2021 között, amikor a jelenlegi adatokat először összeállították. A NANOGrav által kiadott adatok egyik változata is az ő kutatásain alapul.

"Végtelenül izgalmas, különleges élmény olyan munkában részt venni, ami mérföldkőnek számít a csillagászatban. Mindössze néhány alkalommal nyílt ablak a világegyetemre, amióta az ember az űrbe néz – beszél tapasztalatáról a kutató. – Galilei fordított először optikai távcsövet az ég felé, egyértelműen a rádiócsillagászat volt a következő nagy lépés, és ez már kapcsolódik a mi munkánkhoz. A LIGO csaknem egy évtizeddel ezelőtt észlelt először meglehetősen nagy frekvenciájú gravitációs hullámokat az univerzumból, és most a NANOGravban mi mértünk először nagyon alacsony frekvenciájú gravitációs hullámokat."

Bécsy Bence gravitációs hullámok észlelésének módszerein dolgozott Raffai Péterrel a LIGO Tudományos Együttműködés tagcsoportjában, a szintén Frei Zsolt által vezetett és az ELTE Intézményi Kiválósági Programja által is támogatott EGRG kutatócsoportban. A Montana Állami Egyetem doktoranduszaként, azóta pedig az Oregon Állami Egyetem posztdoktori kutatójaként több éves munkával járult hozzá gravitációshullám-adatelemzéshez. Vezetésével készült el az a kiegészítő tanulmány is, amelyben egyedi, nagyon nagy tömegű feketelyuk-kettősökből származó gravitációs hullámokat keresnek. Egy ilyen tanulmány döntő fontosságú a megfigyelt gravitációshullám-háttér eredetének megértéséhez.

"Nagyon örültem, hogy sikerült az egyedi feketelyuk-kettősök keresését a gravitációs háttér keresésével egyidőben kivitelezni. Ez korábban nagyon számításigényes analízis volt, így általában évekkel később készült csak el. A probléma megoldására dolgoztunk ki témavezetőmmel, Neil Cornish-sal (Montana State University) egy új algoritmust, ami nagyjából 1%-ára csökkenti az analízis számításigényét. Emellett több olyan lehetőséget is megnyitott, amivel jobbá is tudtuk tenni az analízist, sőt a hatékonysággal a környezeti hatásokat is csökkentettük – mondja Bécsy Bence. – Hihetetlenül izgalmas abba is belegondolni, hogy szemben a LIGO-Virgo-KAGRA detektorokkal, a pulzárokat nem mi építettük, nekünk "csak" a rádiótávcsöveket kellett megépítenünk, hogy a pulzárokat megfigyelhessük. Gyakorlatilag a világegyetem ajándéka, hogy ezek a csillagok rendelkezésre állnak. Arról nem is beszélve, hogy önmagukban is hihetetlen objektumok: tömegük nagyobb mint a Nap tömege (sűrűségük olyan nagy, hogy egy teáskanálnyi neutroncsillag anyag olyan tömegű lenne, mint 900 gízai piramis!), míg méretük kisebb, mint Budapest. És másodpercenként több százszor fordulnak körbe tengelyük körül."

Asztrofizikusok egész hada keresi ezt a gravitációshullám-jelet szerte a világon. Az ausztrál Parkes Pulsar Timing Array, a kínai Chinese Pulsar Timing Array, az európai European Pulsar Timing Array és az indiai Indian Pulsar Timing Array együttműködések ma közzétett több tanulmánya is utal ugyanennek a jelnek a jelenlétére. Ezek a regionális csoportok az International Pulsar Timing Array konzorciumon keresztül már dolgoznak azon, hogy a jel jobb megismerése és az új típusú források keresése érdekében egyesítsék adataikat. „Közös adatbázisunk már jóval pontosabb lesz – mondja Taylor. – Izgatottan várjuk, milyen titkokat fog feltárni a világegyetemről.”

Nagy rádióteleszkóp (Fotó: Arecibo Observatory / NSF)

A NANOGrav együttműködést a National Science Foundation Physics Frontiers Center 1430284 és 2020265 sz. hozzájárulása, a Gordon és Betty Moore Alapítvány, az NSF AccelNet 2114721 sz. hozzájárulása, a Kanadai Természettudományi és Mérnöki Kutatótanács (NSERC) Discovery-díja és a Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) támogatja. Az Arecibo Obszervatórium a National Science Foundation létesítménye, amelyet együttműködési megállapodás (#AST-1744119) alapján a Közép-Floridai Egyetem (UCF) üzemeltet az Universidad Ana G. Méndez (UAGM) és a Yang Enterprises (YEI) Inc. szövetségében. A Green Bank Observatory és a National Radio Astronomy Observatory a National Science Foundation létesítményei, amelyeket együttműködési megállapodások alapján az Associated Universities, Inc. üzemeltet.

A kutatásról a NANOGrav közleményét ITT találja. A másfél évtizedes munka eredményeit június 29-én este 7 órakor (magyar idő szerint) élő adásban jelentik be, a panelbeszélgetést az alábbi Youtube-linken tekintheti meg. A The Astrophysical Journal Letters tudományos folyóiratban 2023. június 29-én megjelent cikkek ITT olvashatók.

Borítófotó: Aurore Simonnet rajzolt illusztrációja / NANOGrav