Fekete lyukak "minden formában és méretben"
A katalógus 2019 novembere és 2020 márciusa között megfigyelt eseményekkel bővíti a gravitációs hullámok listáját. Az észleléseket három detektor segítségével sikerült elérni: az Egyesült Államokban (Louisiana és Washington államban) található két Advanced LIGO detektorral, valamint az olaszországi Advanced Virgo detektorral. E három detektor adatait a nemzetközi LIGO Scientific Collaboration, a Virgo Collaboration, és a KAGRA Collaboration kutatói elemezték ki.
Mit talált a LIGO-Virgo-KAGRA?
A 35 észlelt jelből 32 nagy valószínűséggel fekete lyukak összeolvadásából származott. Ennek során két fekete lyuk spirálvonalon kering egymás körül, amelynek végén egyesülnek, miközben gravitációs hullámokat bocsátanak ki.
Az összeolvadt fekete lyukak változatos méretűek, a legnagyobbak a Napunk tömegének 90-szeresének megfelelő tömeggel bírnak. Az összeolvadásokból keletkezett fekete lyukak közül több is meghaladja a Napunk tömegének 100-szorosát, így az ún. köztes tömegű fekete lyukak közé sorolhatók. Az asztrofizikusok az elméletek szintjén már régóta foglalkoznak a fekete lyukak ezen típusával, azonban kísérleti bizonyíték csak a gravitációs hullámoknak köszönhetően van a létezésükre. A legújabb LIGO-Virgo-KAGRA észlelések megerősítik, hogy a fekete lyukak ezen új osztálya sokkal gyakoribb az Univerzumban, mint korábban gondoltuk.
A 35 észlelt esemény közül kettő valószínűleg egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összeolvadása volt. Ezek igen ritka események, amelyeket csak a LIGO és a Virgo legutóbbi adatgyűjtő időszakában sikerült megfigyelni. A két esemény közül az egyikben egy hatalmas, 33 naptömegű fekete lyuk egyesült egy nagyon kis, mindössze 1,17 naptömegű neutroncsillaggal. Ez az egyik legkisebb tömegű neutroncsillag, amelyet valaha észleltek gravitációs hullámok vagy elektromágneses hullámok segítségével.
A fekete lyukak és a neutroncsillagok tömege kulcsfontosságú támpontot ad arra vonatkozóan, hogy a nagytömegű csillagok hogyan fejlődnek, és hogyan pusztulnak el szupernóva-robbanásokban. A felfedezésekkel most kezdjük csak látni a fekete lyukak és a neutroncsillagok sokféleségét. A legújabb eredmények azt bizonyítják, hogy ilyen kettősök sokféle méretben és párosításban léteznek. Megoldódott néhány régóta fennálló rejtély, de eközben újak is felmerültek. A megfigyelések segítségével közelebb kerültünk ahhoz, hogy megfejtsünk a csillagok fejlődésével kapcsolatos kérdéseket.
A katalógusban szereplő gravitációs hullámok egyike két olyan objektum összeolvadásából származott, amelyek közül az egyik szinte biztosan fekete lyuk volt (a tömege 24 naptömeg), a másik viszont vagy egy extrém könnyű fekete lyuk, vagy egy nagyon nehéz, 2,8 naptömegű neutroncsillag. A kutatók arra következtettek, hogy valószínűleg fekete lyukról van szó, de nem lehetnek teljesen biztosak ebben. Hasonló kérdéses eseményt fedezett fel a LIGO és a Virgo 2019 augusztusában is. A kisebb objektum tömege mindkét esetben rejtélyes, mivel a szakemberek szerint a legnagyobb tömeg, amit egy neutroncsillag elérhet még azelőtt, hogy fekete lyukká omlana össze, körülbelül a Napunk tömegének 2,5-szerese. Emellett ugyanakkor elektromágneses megfigyelésekkel eddig még nem fedeztek fel olyan fekete lyukat sem, amelynek tömege 5 naptömegnél kisebb lett volna. Ez korábban olyan elméletek kiindulópontja volt, amelyek szerint a csillagok ebben a tömegtartományban nem omlanak össze fekete lyukakká. Az új gravitációshullám-megfigyelések azt jelzik, hogy ezeket az elméleteket vélhetően felül kell vizsgálni.
Óriási előrelépés
A gravitációs hullámokat először Albert Einstein jósolta meg 1916-ban, az általános relativitáselmélet alapján. Mivel a Földet elérő gravitációs hullámok nagyon kis hatást keltenek, sok évtizedes munkára volt szükség ahhoz, hogy a kimutatásukhoz elég pontos műszereket építsünk.
A gravitációs hullámok első, 2015-ös észlelése óta a megfigyelések száma robbanásszerűen emelkedik. Innen néhány év alatt odáig jutottunk, hogy átlagosan heti rendszerességgel, sőt, néha egyazon napon több eseményt is megfigyelünk.
A gravitációshullám-detektorok nagyteljesítményű lézerek segítségével mérik azokat az időket, amely alatt a fény két egymásra merőleges kar mentén verődik oda-vissza a tükrök között. A harmadik megfigyelési időszakban a gravitációshullám-detektorok az eddigi legérzékenyebb beállításokkal működtek, a folyamatos fejlesztéseknek köszönhetően.
A LIGO és a Virgo detektorok érzékenysége folyamatosan javul, többek közt a megnövelt lézerteljesítmény és az ún. préselt fény technikájának alkalmazása révén. A detektorok megnövelt érzékenysége lehetővé tette több izgalmas gravitációshullám-esemény megfigyelését, köztük az első biztosnak mondható neutroncsillag - fekete lyuk összeolvadásét.
A préselt fény alkalmazása a fény kvantummechanikai tulajdonságainak kihasználását jelenti, a mérési bizonytalanságok minimalizálása érdekében. A Heisenberg-féle határozatlansági reláció korlátozza, hogy milyen pontosan lehet egyszerre mérni valaminek a helyét és lendületét. A préselt fény a fény egy speciális kvantummechanikai állapota, amely minimalizálja a gravitációs hullámok méréséhez szükséges fizikai mennyiségek bizonytalanságát.
Pásztázzuk az eget
Ahogy a gravitációs hullámok észlelésének száma növekszik, az adatkiértékelő technikákat is fejlesztjük, hogy ezzel biztosítsuk az eredmények nagy pontosságát és megbízhatóságát. A észlelt jelek egyre bővülő katalógusa lehetővé teszik számunkra, hogy a fekete lyukak és a neutroncsillagok tulajdonságait eddig elérhetetlen pontossággal tanulmányozzuk.
Minden új megfigyelési időszak új felfedezéseket és meglepetéseket hoz. A harmadik megfigyelési időszak során a gravitációs hullámok észlelése mindennapossá vált, de még így is minden egyes észlelés nagy jelentőséggel bír. A jövőbeli megfigyelési időszakok bizonyosan több szokatlan eseményt fognak hozni, az asztrofizika területén így bőven van még mit felfedeznünk.
A jelek azonosítása a detektor adataiban gondos elemzést igényel, hogy a valódi gravitációs hullámokat meg lehessen különböztetni a háttérzajtól. A megfigyelési időszak során a detektorok nemzetközi hálózatából gyűjtött információk alapján pontosan meg tudjuk határozni, mely jelek származtak valódi gravitációs hullámokból.
A mostani megfigyelési időszak másik jelentős vívmánya, hogy a kutatók már az észleléseket követő percekben nyilvános riasztást küldtek a világ más obszervatóriumai és detektorai számára. Így a neutrínódetektorok és a fényt észlelő távcsövek hálózata arra a területre tudott fókuszálni, ahonnan a gravitációs hullámok érkeztek. A gravitációshullám-jelek elektromágneses és neutrínó megfelelői ritkák, emellett megtalálni is rendkívül nagy kihívás őket. A gyors riasztás ebben a keresésben óriási előnyt jelent. Az újonnan bejelentett gravitációs hullámok egyikéhez sem találtak elektromágneses vagy neutrínó megfelelőt, az egyedüli ilyen forrás továbbra is a 2017-es neutroncsillag-összeolvadás.
A kutatás jövője
A LIGO és a Virgo obszervatóriumok jelenleg fejlesztéseken mennek át a közelgő negyedik megfigyelési időszak előtt, amely várhatóan 2022 második felében kezdődhet el. Ehhez az időszakhoz már a japán KAGRA obszervatórium is csatlakozni fog. A mélyen egy hegy alatt található KAGRA 2020-ban sikeresen teljesítette első megfigyelési időszakát, azonban még nem csatlakozott a LIGO és a Virgo közös megfigyeléseihez. Több detektorral az események égi pozíciójának meghatározása is pontosabb lesz.
Ahogy egyre több megerősített észlelés kerül a LIGO-Virgo-KAGRA gravitációshullám-katalógusba, egyre többet tudunk meg ezekről a csillagászati jelenségekről. A következő megfigyelési időszak előtt a meglévő adatok további elemzésével még több információhoz fogunk jutni a neutroncsillagokról és a fekete lyukakról, emellett akár az adatsorokban rejtőző, új típusú jelek felfedezésére is van még esély.
