Fekete lyukak új családja – fodrozódik a téridő
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.
Miként 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 kezdeményezésében ELTE-s kutatók is részt vesznek.
Az újonnan felfedezett fekete lyuk, amely az összeolvadás közben keletkezett, körülbelül 49-szer akkora tömegű, mint a Nap: ez az érték a LIGO által eddig észlelt két, szintén összeolvadásból származó fekete lyuk tömege közé esik, amely 62, illetve 21 naptömegű. „Újabb megerősítést kaptunk csillagokból keletkezett olyan fekete lyukak létezésére, amelyek 20 Nap-tömegnél nagyobbak. Ilyen tömegű objektumok létezéséről nem tudtunk azelőtt, hogy a LIGO észlelte volna őket” – mondta David Shoemaker, a LIGO Scientific Collaboration (LSC) szóvivője.
Az új észlelés a LIGO jelenleg is zajló, O2 elnevezésű, 2016 decemberében kezdődött megfigyelési időszaka alatt történt, amely az idén nyár végéig tart. Az elemzéseket két azonos detektor végzi az Egyesült Államokban, amelyet a Caltech és az MIT egyetem működtet a National Science Foundation (NSF) támogatásával. Az egyik detektor Hanfordban, a másig pedig Livingstonban található. A 2015 szeptemberében történt első észlelés óta a mostani, GW170104 nevűvel együtt összesen három alkalommal észleltek gravitációs hullámokat. 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 miként és mire tudjuk használni ezeket a jeleket az asztrofizikában és a világegyetem megértésében.”
A detektorok által észlelt ütközések az adott 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 a 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 megerősítés 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; a 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 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, ami várhatóan 2018 végén kezdődik el, miután a detektorok érzékenységét tovább finomították. A kutatók abban bíznak, hogy a gravitációs hullámok észlelését követően hamarosan 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 zajszint-csökkentését; 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.
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 Virgo Kollaboráció, ami további 280 európai tudós konzorciuma.
További információk a felfedezésről
