A gravitációs hullámok első közvetlen észlelését várhatóan február 11-én teszik közzé az Advanced Laser Interferometer Gravitation-Wave Observatory (LIGO) kutatói. Két óriási LIGO-detektor segítségével - az egyik Livingstonban (Louisiana, a másik a Hanfordban, Washington) - a tudósok az űridőben mérik a két fekete lyuk ütközéséből származó hullámokat, és úgy tűnik, hogy végre megtalálják azt, amit kerestek.
Egy ilyen kijelentés megerősítené az Einstein Albert által előrejelzett gravitációs hullámokat, melyeket az relativitáselmélet általános elmélete részévé tett 100 évvel ezelőtt, de ennek következményei nem érnek véget. A tér-idő szerkezetének rezgéseként a gravitációs hullámokat gyakran összehasonlítják a hanggal, sőt akár hangpályákká is alakítják őket. A gravitációs hullámos távcsövek lehetővé tennék a tudósok számára, hogy "hallják" a jelenségeket ugyanúgy, mint a könnyű távcsövek.
Amikor a LIGO az 1990-es évek elején az Egyesült Államok kormányának finanszírozásáért küzdött, a csillagászok voltak a fő versenyzői a kongresszusi meghallgatásokon. "Akkor gondoltak arra, hogy a LIGO-nak semmi köze nincs a csillagászathoz" - mondja Clifford Will, a Gainesville-i Floridai Egyetem általános relativitáselmélete és a LIGO egyik korai támogatója. De azóta nagyon sok megváltozott.
Üdvözöljük a gravitációs hullámcsillagászat területén. Vizsgáljuk meg azokat a kérdéseket és jelenségeket, amelyeket felfedhet.
Valóban léteznek-e fekete lyukak?
A LIGO bejelentésből várt jelet valószínűleg két összeolvadó fekete lyuk hozta létre. Az ilyen események ismertek a legintenzívebben; az általuk kibocsátott gravitációs hullámok teljes ereje röviden elhomályosíthatja a megfigyelt világegyetem összes csillagát. Az egyesülő fekete lyukakat nagyon tiszta gravitációs hullámokból is elég könnyen értelmezni.
Promóciós videó:
A LIGO bejelentésből várt jelet valószínűleg két összeolvadó fekete lyuk hozta létre. Az ilyen események ismertek a legintenzívebben; az általuk kibocsátott gravitációs hullámok teljes ereje röviden elhomályosíthatja a megfigyelt világegyetem összes csillagát. Az egyesülő fekete lyukakat nagyon tiszta gravitációs hullámokból is elég könnyen értelmezni.
A fekete lyukak összeolvadása akkor fordul elő, amikor két fekete lyuk spirál körül, és energiát bocsát ki gravitációs hullámok formájában. Ezeknek a hullámoknak olyan jellegzetes hangja van (csipogása), amely felhasználható e két tárgy tömegének mérésére. Ezután a fekete lyukak általában egyesülnek.
Képzeljünk el két szappanbuborékot, amelyek elég közel állnak ahhoz, hogy egy buborékot képezzenek. A nagyobb buborék deformálódik”- mondja Tybalt Damour, a Párizs melletti Fejlett Tudományos Kutatóintézet gravitációs teoretikusa. A végső fekete lyuk tökéletesen gömb alakú, de először kiszámítható típusú gravitációs hullámokat kell kibocsátania.
A fekete lyukak egyesülésének felfedezésének egyik legfontosabb tudományos következménye a fekete lyukak létezésének megerősítése - legalábbis tökéletesen kör alakú tárgyak, amelyek tiszta, üres, ívelt téridőből állnak, amint azt az általános relativitáselmélet előrejelzi. Egy másik következmény az, hogy az egyesülés a tudósok előrejelzése szerint zajlik. A csillagászoknak sok közvetett igazolása van ennek a jelenségnek, ám eddig a csillagok és a túlhevített gáz megfigyelései voltak a fekete lyukak pályáján, nem pedig a fekete lyukak.
„A tudományos közösség, beleértve magamat is, nem szereti a fekete lyukakat. Magától értetődőnek tekintjük őket”- mondja Frans Pretorius, a New Jersey-i Princeton Egyetemen az általános relativitáselméleti szimulációk szakértője. "De ha arra gondolsz, milyen fantasztikus előrejelzés ez, akkor igazán lenyűgöző bizonyítékra van szükségünk."
A gravitációs hullámok a fénysebességgel mozognak?
Amikor a tudósok elkezdenek összehasonlítani a LIGO megfigyeléseit más távcsövekkel, az első dolog, amit megvizsgálnak, az, hogy a jel egyszerre érkezett-e meg. A fizikusok úgy gondolják, hogy a gravitációt graviton részecskék, a fotonok gravitációs analógja továbbítja. Ha ezeknek a részecskéknek, mint a fotonoknak, nincs tömege, akkor a gravitációs hullámok a fénysebességgel mozognak, összhangban a gravitációs hullámok sebességének előrejelzésével a klasszikus relativitáselméletben. (Sebességüket befolyásolhatja az univerzum gyorsuló expanziója, de ennek olyan távolságokra kell megnyilvánulnia, amely meghaladja a LIGO által lefedett távolságokat).
Valószínű azonban, hogy a gravitonok kis tömegűek, ami azt jelenti, hogy a gravitációs hullámok a fénynél kisebb sebességgel mozognak. Tehát például, ha a LIGO és a Szűz a gravitációs hullámokat észleli, és rájön, hogy a hullámok később érkeztek a Földre, mint a gamma-sugarak kozmikus eseményével társulva, ennek végzetes következményei lehetnek az alapvető fizikának.
A téridő kozmikus vonósokból készül?
Még idegen felfedezés történhet, ha a gravitációs hullámok kitöréseit észlelik a "kozmikus vonalok". Ezeknek a hipotetikus tér-idő görbület hibáknak, amelyek kapcsolódhatnak a húr elméletekhez, vagy amelyek nem kapcsolódhatnak hozzá, végtelenül vékonyaknak kell lenniük, és kozmikus távolságokon meg kell nyújtani őket. A tudósok azt jósolják, hogy ha a kozmikus húrok léteznek, akkor véletlenül meghajolhatnak; Ha a húr meghajlik, akkor gravitációs túlfeszültséget okoz, amelyet olyan detektorok mérhetnek, mint a LIGO vagy a Szűz.
Lehet-e egyenetlen csillagok?
A neutroncsillagok a nagy csillagok maradványai, amelyek saját súlyuk alatt összeomlottak és annyira sűrűvé váltak, hogy az elektronok és a protonok neutronokká kezdtek olvadni. A tudósok alig értik a neutronfurat fizikáját, ám a gravitációs hullámok sokat mondhatnak róluk. Például az intenzív gravitáció a felszínen a neutroncsillagokat szinte tökéletesen gömb alakúvá teszi. Egyes tudósok azonban azt sugallták, hogy esetleg vannak "néhány hegymélységű" hegyek is, amelyek ezeket a sűrű, legfeljebb 10 kilométer átmérőjű tárgyakat kissé aszimmetrikusvá teszik. A neutroncsillagok általában nagyon gyorsan forognak, tehát az aszimmetrikus tömegeloszlás megsemmisíti a téridőt és állandó szinuszos gravitációs hullámjelet produkál, lelassítja a csillag forgását és sugárzza az energiát.
Az egymás körül forgó neutroncsillagok is állandó jelet szolgáltatnak. Mint a fekete lyukak, ezek a csillagok spirálisan alakulnak és végül megkülönböztető hangot képeznek. Sajátossága azonban különbözik a fekete lyukak hangzásának sajátosságától.
Miért robbannak fel a csillagok?
A fekete lyukak és a neutroncsillagok akkor alakulnak ki, amikor a hatalmas csillagok megállnak, és megsemmisülnek. Az asztrofizikusok szerint ez a folyamat a II. Típusú szupernóva robbanások minden típusának központi eleme. Az ilyen szupernóvák szimulációi még nem mutatták ki, miért gyulladnak meg, ám úgy gondolják, hogy a valódi szupernóva által kibocsátott gravitációs hullámkitörések meghallgatása választ ad. Attól függően, hogy miként néznek ki a tört hullámok, mennyire hangosak, milyen gyakran fordulnak elő, és hogyan korrelálnak az elektromágneses távcsövek által követett szupernóvákkal, ezek az adatok segíthetnek kizárni egy sor létező modellt.
Mennyire gyorsan bővül az univerzum?
A világegyetem tágulása azt jelenti, hogy a távoli tárgyak, amelyek elmozdulnak a galaxisunktól, vörösebbnek tűnnek, mint valójában vannak, mivel az általuk kibocsátott fény mozgás közben meghosszabbodik. A kozmológusok úgy becsülik az univerzum terjeszkedésének sebességét, hogy összehasonlítják a galaxisok vöröseltolódását azzal, hogy milyen messze vannak tőlünk. Ezt a távolságot általában az Ia típusú szupernóvák fényessége alapján becsüljük meg, és ez a módszer sok bizonytalanságot hagy.
Ha a világ minden tájáról több gravitációs hullámdetektor észlel ugyanazon neutroncsillagok egyesüléséből származó jeleket, akkor abszolút pontosan meg tudják becsülni a jel hangosságát és ezzel a távolságot, amelyen az egyesülés megtörtént. Emellett képesek lesznek felmérni az irányt, és ezzel azonosítani a galaxist, amelyben az esemény bekövetkezett. Ha összehasonlítjuk ennek a galaxisnak a vöröseltolódását az egyesülő csillagoktól való távolsággal, akkor megkaphatjuk a kozmikus expanzió független sebességét, amely valószínűleg pontosabb, mint ahogyan a jelenlegi módszerek lehetővé teszik.