Újabb korszakalkotó felfedezés a gravitációs hullámok területén

A LIGO (Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium) a korábbi években olyan gravitációs hullámokat detektált, amelyek egymás körül gyorsan keringő, kis tömegű fekete lyukakból vagy neutroncsillagok összeolvadásából származnak. Például olyan egymás körül keringő, naptömegű fekete lyukakat érzékelt, amelyek néhány száz kilométerre keringenek egymástól és körülbelül másodpercenként százszor kerülik meg egymást. Az általuk kibocsátott jel 100 Hz-es, amelynek nagyon rövid, néhány km vagy néhány 100 km a hullámhossza. Ezeket a rövid hullámhosszokat földi detektorral érzékelni lehet, így a LIGO 4 km hosszú karjai is „megérezték” ezek rezgését. A NANOGrav projekt keretében azonban most teljesen másfajta technológiával érzékeltek gigantikus méretű feketelyuk összeolvadásokat.

Amikor két galaxis összeütközik, azok magjában lévő szupernehéz fekete lyukak is egymás körüli körpályára állnak, előbb-utóbb összeolvadnak és kibocsátanak gravitációs hullámokat. A kutatók úgy gondolják, hogy a galaxisok magjában átlagosan egymillió-egymilliárd naptömegű fekete lyukak létezhetnek. Az Univerzum fejlődésének korai szakaszában sok galaxisösszeolvadás történt, amikor a magjaikban keringő fekete lyukak összeolvadtak. Ezek a gigantikus méretű, lomha rendszerek, így kisebb frekvenciával, de jóval nagyobb hullámhosszú jeleket kibocsátva keringenek egymás körül. Ahhoz, hogy a LIGO ezeket érzékelje, sokkal hosszabb, millió kilométeres érzékelő karokra lenne szüksége. Ilyen műszer csak a jövő évtizedben fog a tudomány rendelkezésére állni.

Rádiótávcsövekkel a fekete lyukak nyomában

A rádiótávcsövekkel általában a pulzárokat figyelik a kutatók, amelyek stabilan, kb. 100 Hz-es, rövid jelet bocsátanak ki a világegyetem különböző irányaiból. 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.

Mivel a gravitációshullámok körül megnyúlik vagy összeszűkül a tér, ennek hatására gyorsabban vagy lassabban érkeznek a pulzációk.

Tehát abból, hogy a pulzárok által kibocsátott jel nem egyenletes, vagyis a pulzálás dinamikájából következtethető, hogy a háttérben érzékelhetők-e gravitációs hullámok. Ezekből az adatokból ugyan nem lehet egyesével azonosítani a fekete lyukak összeolvadását, de a háttérben a szupernehéz fekete lyukak összeolvadásából származó hosszúhullámú gravitációs hullámok keverékét egyértelműen ki lehetett mutatni.

Rádiótávcsövek (Fotó: NRAO/AUI/NSF)

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.

„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."

A kutatók 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.”

Az ELTE kutatóinak részvétele a nemzetközi együttműködésben

Az ELTE fizikusai részt vettek a gravitációs hullámok első, 2015-ös, LIGO általi detektálásában, és hozzájárultak a mostani NANOGrav eredményekhez is. 

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 Asztro- és részecskefizika Intézményi Kiválósági Programja által is támogatott EGRG kutatócsoportban.  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."

„A Fizikai Intézetben bevett gyakorlat, hogy az adjunktusok posztdoktori kutatásaikat külföldi kutatóintézetben töltik” – mondja Frei Zsolt, az ELTE Atomfizikai Tanszék vezetője. Bécsy Bence már alap- és mesterszakos tanulmányai alatt is részt vett az ELTE LIGO kutatócsoport munkájában, majd a Montana University-n szerzett doktori fokozatot, ezt követően posztdoktori kutatóként Oregonban bekapcsolódott a NanoGrav kutatásba. Széleskörű tudományos kapcsolatrendszert építve szerzett külföldi kutatási tapasztalatokat, amelyeket – bízunk benne - hazatérve az ELTE-n kamatoztathat.

„A posztdoktori nemzetközi körforgásban az ELTE is részt vesz fogadóintézményként: jelenleg az ELTE Atomfizikai Tanszékén már több, mint 10 külföldi posztdoktor szerzett tapasztalatokat. Többek között Timothy Pennucci is posztdoktorként tevékenykedik az ELTE-n, aki New Yorkból, a Columbia Egyetemről érkezett hozzánk, hogy a NANOGrav kollaborációban dolgozzon” – részletezi Frei Zsolt.

Azzal, hogy Timothy Pennucci posztdoktorként részt vesz ebben a nemzetközi kollaborációban, többek között az ELTE publikációs teljesítménye is növekszik, hiszen az eredményekről születő tudományos cikkek társzerzőjeként az ELTE több tízezer új hivatkozást szerez, így a nemzetközi rangsorokban is előrébb kerülhet. „Az ELTE Fizikai és Csillagászati Intézete az elmúlt néhány évben az ARWU nemzetközi egyetemi rangsor 250. helyéről a 105. helyre lépett előre, amely többek között az aktív publikációs teljesítménynek is köszönhető” – összegzi Frei Zsolt.

A másfél évtizedes munka eredményeit június 29-én este 7 órakor élő adásban jelentik be, a panelbeszélgetést az alábbi Youtube-linken tekintheti meg.

A kutatásról a NANOGrav közleménye itt található. A The Astrophysical Journal Letters tudományos folyóiratban 2023. június 29-én megjelent cikkek itt olvashatók.