Magyar kutatók müondetektoraival végzett vizsgálatok is szerepet játszanak annak eldöntésében, hol épüljön fel a gravitációshullám-jeleket detektáló Einstein-teleszkóp.

Felfedezték a gravitációs hullámokat

Az egyszerű mondat mögött egy százéves elmélet, több évtizedes műszerfejlesztés és több mint egymilliárd dolláros befektetés áll. A világegyetem jobb megértését segítő, alapvető eredmény született a tudományban, az alapkutatás látványos sikeréről van szó." - így szólt a Magyar Tudományos Akadémia beszámolója 2016 februárjában, miután a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium) detektorral elsőként sikerült gravitációshullám-jeleket érzékelni.

A nagy jelentőségű eseményre valamivel korábban, 2015. szeptember 14-én került sor, de a hivatalos bejelentés 2016-ban érkezett az európai interferométert üzemeltető Virgo Kollaborációval való közös munka és elemzések után. Mivel a LIGO Tudományos Együttműködésnek több magyar kutatócsoport is része, ezért a felfedezés részben az ő kutatásainak köszönhető, közülük is különösen nagy szerepet játszott a projektben az Eötvös Gravity Research Group kutatócsoport Frei Zsolt vezetésével.

Mint kiderült, a gravitációs hullám, amit a szakértők detektáltak, egy, a Földtől 1,2 milliárd fényévnyire lévő galaxisból indult, ahol két fekete lyuk ütközött majd olvadt össze egymással. Számítások alapján az esemény során három naptömegnyi anyag alakult energiává és ezt az energiát a gravitációs hullámok szállították el. A gravitációs hullámok "a téridő geometriáját meghatározó metrikának a térben és időben periodikus megváltozásai, amelyek fénysebességgel terjednek" - Lovas István fizikus meghatározása szerint. A LIGO által detektált feketelyuk-összeolvadás nem csak intenzitását, hanem gyorsaságát tekintve is különleges volt: rendkívül gyorsan, körülbelül 1/150 másodperc alatt tették meg utolsó körüket egymás körül a fekete lyukak, mielőtt végleg egyesültek volna.

Ehhez hasonló észlelésekre az elmúlt években több ízben is sor került, de a gravitációs hullámok kutatása nem egyszerű feladat, már csak azért sem, mert sokféle hullám létezik az eltérő frekvenciák és más jellemzők miatt. Lényegében bármilyen gyorsuló fizikai objektum generál gravitációs hullámokat - mondják a LIGO kutatói - de ahhoz, hogy a jelenlegi detektorok érzékelni tudják őket, a hullámoknak elég erősnek kell lennie.

A csillagászok a gravitációs hullámok négy alaptípusát határozták meg, eszerint léteznek periodikus, kompakt bespirálozó kettősrendszerekből származó, sztochasztikus (véletlenszerű) és kitörésszerű hullámok - ezek mindegyikének példáit meghallgathatjuk a LIGO ELTE oldalán.

A periodikus gravitációs hullámok forrásai lehetnek egymás körül keringő neutroncsillag vagy fekete lyuk kettős rendszerek, a bespirálozó kettősrendszerekből származók rövidesen egybeolvadó bináris rendszerek életének végső szakaszában keletkeznek, a sztochasztikus hullámok lehetséges kiindulópontja az ősrobbanás és a kitörésszerű hullámok rövid időtartamú, ismeretlen működésű vagy előre nem várt forrásokból érkeznek az ELTE definíciója szerint.

Az Albert Einstein általános relativitáselméletét alátámasztó és a híres fizikus által megjósolt gravitációs hullámok kutatása a világ számos pontján teljes gőzzel zajlik, de a sikerhez újabb és még nagyobb érzékenységű eszközökre van szükség, amelyek megbízhatóan tudják detektálni azokat a jeleket is, amelyeket még a Virgo és a LIGO sem képes érzékelni.

Egyike az új projekteknek az Einstein-teleszkóp (Einstein Telescope, ET), amelyet Európában fognak megépíteni és nagyságrenddel pontosabban észleli majd a hullámokat. Az obszervatórium egészen speciális kialakítású, a föld alatt fog ugyanis elhelyezkedni, a karjai hosszabbak (10 kilométer) lesznek, mint a Virgónak és a LIGO-nak és a három karral is rendelkezik majd, amelyek mindegyike több detektort is magában foglal.

A berendezést azért kell a föld alá 200-300 méterrel rejteni, hogy csökkentsék az emberi és szeizmikus tevékenységekből származó zavaró zajok, illetve sugárzás hatását és teljes csöndben, zavartalan működhessen a kísérlet. Az ET a gravitációs hullámokat a karokban, azaz alagutakban lévő lézernyalábokkal méri: ha ezek hossza meghatározott minta alapján akár egy egész kicsivel megváltozik, az egy arra haladó gravitációs hullám nyoma lehet. A kutatók reményei szerint a detektorok az eddigieknél ezerszer több eseményt tesznek majd láthatóvá számukra.

Nem mindegy azonban, hogy az érzékeny interferométert hol helyezik el. Jelenleg két helyszín van versenyben, egyikük a holland-német-belga határon, ahol a puha talajréteg elnyeli a vibrációkat és jobb megfigyelést tesz lehetővé, a másik Szardínia szigetén, ahol már egy "kész" helyszín, a Sos Enattos bánya áll rendelkezésre az obszervatórium telepítésére. Hogy ez utóbbi terület valóban alkalmas-e (és a másik helyszínnél alkalmasabb-e) arra, hogy az Einstein-teleszkóp otthona legyen, azt magyar kutatók segítenek feltérképezni, akik müondetektor telepítésével járulnak hozzá a mérésekhez.

A HUN-REN Wigner FK munkatársai, Oláh László, Surányi Gergely és Varga Dezső a bányában elhelyezték és üzembe is állították az eszközt, hogy kiderüljön, a környékbeli kőzetek milyen jellemzőkkel, összetétellel bírnak és megfelelnek-e a követelményeknek a teleszkóp üzemeléséhez.

"A kozmikus sugárzás légköri kölcsönhatásaiból származó müon nevű részecskék természetes eredetűek, áthatolnak egyebek mellett a kőzeteken is, miközben annak sűrűségétől függően egy részük elnyelődik.

A müográfia ezt a tulajdonságot használja arra, hogy nagy objektumok szerkezetéről információkat nyerjen. A gravitációs hullámok méréséhez pedig lehetőleg háttérsugárzás-mentes terület kell, ezért szükséges a müonok jelenlétét is mérni."

- írja a Wigner FK a projekttel kapcsolatban, hozzátéve, hogy a müográfia nagy előnye, hogy a müonok áthatolóképessége jóval nagyobb, mint például a röntgensugárnak, viszont ahhoz hasonlóan működik, megmutatja, hol van kevesebb müon, azaz hol akadályozza a müonok útját nagyobb sűrűségű kőzet.

A magyar kutatók a szardíniai Sos Enattos bányában a müondetektorral (Kép: Hun-Ren Wigner Fizikai Kutatóközpont)

Az Einstein-teleszkóp segítségével a jövőben a kutatók az univerzum rejtélyeivel kapcsolatos eddig még megválaszolatlan kérdésekre találhatnak megoldást, hogy jobban megértsék a világegyetem működését, történetét, evolúcióját, ezenfelül a sötét anyagról, fekete lyukakról és az ősrobbanásról szóló hipotéziseket próbára tegyék.

"Az ET, most először, lehetővé teszi az univerzum teljes kozmikus történetének felderítését, visszatérve az időben a kozmológia sötét korszakába, amikor még a fotonok csillagokból induló és galaktikus forrásai nem alakultak ki - ilyen módon fényt derítve a folyamatokra, amelyek formálták a történelmét."

- magyarázza a teleszkóp célját a projekt olasz "felének" összefoglalója.