Hullámzó téridő és összecuppanó fekete lyukak

2016. március 09. - tudom_ányos

Miért pont a gravitációs hullámok?

Az emberiség a történelem során mindvégig kénytelen volt az elektromágneses sugárzások különböző spektrumaiban vizsgálódni, ha a körülötte lévő világegyetemet szerette volna megismerni. Az elektromágneses sugárzások közé tartozik a rádióhullám, a mikrohullám, az infravörös sugárzás, a látható fény, valamint az ultraibolya és a röntgen sugárzás is. Az elektromágneses hullámok azonban kölcsönhatásba lépnek az anyaggal és gravitációs terekkel, így az űr egy távoli szegletéből elindult jelek torzulhatnak, energiát veszthetnek, és a sorozatos visszaverődések miatt zajosak lehetnek. A gravitációs hullámok létezésének direkt bizonyítékaként szolgáló vadonatúj felfedezés egy merőben új „érzéket” adhat számunkra a világegyetem megismerésében.

gpb_circling_earth.jpgA Föld gravitációja is meggörbíti maga körül a téridőt (Forrás: techinsider.io)

A gravitációs hullámok létezésére a tudósok Albert Einstein 1915-ben publikált általános relativitáselmélete alapján következtettek. A gravitációs hullámok a téridő görbületének hullámszerű változásai. Ahogyan a víz felszínén mozgó test tovaterjedő hullámokat okoz a víz felszínén, hasonlóan a téridőben mozgó tömeg is hullámokat gerjeszt a téridőben. A hullámok tovaterjednek, és mivel semmi sincs, ami a gravitációs hullámok útjába állna (hiszen maga az anyag is része a „hullámzó” téridőnek), ezért visszaverődés és zavar nélkül haladnak akár évmilliárdokon keresztül. A gravitációs hullámok így rendkívül értékes, zavartalan információt hordozhatnak a világegyetemben előforduló nagy energiájú jelenségekről: az ősrobbanásról, forgó rendszerekről, egymás körül keringő fekete lyukakról és ütközésekről. A gravitációs hullámok kutatásának nagy nehézsége az, hogy a hullámok hatásai igen kicsik, így földi környezetben nagy nehézséget okoz a detektálásuk, és a környezeti zajtól való elválasztásuk.

Nem is olyan könnyű a vizsgálatuk…

A gravitációs hullámok a téridő torzulásaként értelmezhetők, nekünk ezt a torzulást van lehetőségünk vizsgálni. Az általunk ismert világ anyaga része a téridőnek, így ha egy távolság a hullámok hatására megváltozik, akkor a mérendő távolsággal együtt a mérésre használt vonalzó is a térrel együtt torzul, tehát vonalzóval lehetetlen lenne a hullámok érzékelése. A probléma megoldására a speciális relativitás egyik alapvetése biztosít lehetőséget, miszerint a fény sebessége minden inerciarendszerből nézve állandó. A téridő torzulásainak vizsgálatát tekintve ez hétköznapi nyelven azt jelenti hogy ha a tér „összenyomódik”, akkor a fény gyorsabban, ha a tér „széthúzódik”, akkor lassabban ér A-ból B-be.


A LIGO két telephelye madártávlatból (Forrás: advancedligo.mit.edu)

Ezt a jelenséget használja ki a az amerikai NSF (National Science Foundation) által több mint egymilliárd dollárból finanszírozott LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), ami kétségtelenül a világ egyik legérzékenyebb műszere. A LIGO két, egymástól 3000 km-re lévő létesítményből áll. A földi eredetű zajok további szűrését segíti, hogy egymástól nagy távolságra lévő detektorokban párhuzamosan történik a mérés. Az egyes létesítmények 4 kilométer hosszú karjain egy kettéválasztott lézerfény halad végig, visszaverődik a kar végén elhelyezett tükörről, majd a találkozási ponton interferál a másik nyalábbal. Az interferenciából (erősítés, gyengítés) következtetni lehet az egyes karok hosszváltozására. A műszer érzékenysége 10-21-en nagyságrendű, ami azt jelenti, hogy a rendszer képes érzékelni azt is, ha a tükrök egy proton átmérőjének tízezred részével eltávolodnak egymástól. A hihetetlen érzékenység mellett óriási mérnöki teljesítmény a rendszer elszigetelése a környezeti zajoktól.

Fekete lyukak randevúja

A detektor által 2015-ben érzékelt jelenség két egymás körül keringő feketelyuk összeolvadása volt egy-a földtől körülbelül 1,3 milliárd fényév távolságra lévő galaxisban. A fekete lyukak tömege 29 illetve 36 naptömegnyi volt az ütközés előtt, melyek egyre gyorsabban keringtek egymás körül, így az utolsó nyolc kört 0,2 másodperc alatt tették meg egymás körül. Az összeolvadás előtti pillanatban, az eseményhorizontok összeérésekor a két test távolsága mindössze 210 kilométer volt.


Így hangzik, amikor két fekete lyuk "összecuppan" (Forrás: Caltech Ligo)

Az összeolvadt objektumokból egy 62 naptömegnyi fekete lyuk jött létre. Az összeütközés végső 0,2 másodpercében tehát 3 naptömegnyi energia került kisugárzásra gravitációs hullámok formájában. Ez az energia a mi napunk 10 milliárd éves élettartama által kisugárzott energia kb. 4500-szorosa. Az esemény így az emberiség által valaha észlelt legnagyobb energiájú jelenségként írta be magát a történelembe az emberiség által valaha megvizsgált legnagyobb energiájú jelenségként. A felfedezés hatalmas jelentőségű a tudomány szempontjából. Először sikerült érzékelni közvetlenül gravitációs hullámokat, valamint közvetlen megfigyelésünk van arról, hogy feketelyuk-párok valóban léteznek, és belátható időn belül össze is olvadnak. Megnyílt előttünk az út a világegyetem gravitációs hullámok általi felfedezése felé.

A posztért köszönet Orosz Péter fizikusnak!

A bejegyzés trackback címe:

https://tudomek.blog.hu/api/trackback/id/tr658458898

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.