Gravitációs hullámok, feketelyuk-kettősök és „préselt” fény

Sajtóanyag letöltése (PDF formátum)


A LIGO Tudományos Kollaboráció a Nature Physics folyóiratban számolt be a GEO600 gravitációshullám-detektorban sikeresen alkalmazott, ún. préselt fény segítségével elért 50%-os érzékenység-növekedésről. A módszer forradalmasítja a gravitációs hullámok detektálását. A közlemény társszerzője az SZTE TTIK Fizikus Tanszékcsoport két munkatársa, Gergely Árpád László és Keresztes Zoltán is.


Az általános relativitáselmélet szerint a gravitáció nem más, mint a téridő görbülete. A gravitációs hullám a görbületben jelentkező, fénysebességgel terjedő, periodikus perturbáció, „hepehupa a téridő görbületében”. Gravitációs hullám akkor keletkezik, ha egy fizikai rendszer a gömbszimmetriától jelentősen eltér, és az eltérést kifejező ún. kvadrupól-momentum időben nemlineárisan változik. Bármilyen, közös tömegközéppontja körül keringő kettős rendszer teljesíti ezt a feltételt, de a keletkező gravitációs hullám akkor a legerősebb, ha fekete lyukak kettős rendszere hozza azt létre.

Bár létezésüket közvetetten bizonyította a Hulse─Taylor-pulzár több évtizedes megfigyelése (Nobel-díj, 1993), a gravitációs hullámok közvetlen észlelése mai napig várat magára. Ennek oka, hogy a Földre érkező gravitációs hullámok igen gyengék, az észlelésükhöz szükséges rendkívül érzékeny detektorok technikai megvalósítása csak napjainkra vált lehetségessé. Az USA-ban található két LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) berendezés, valamint a francia-olasz VIRGO detektor Michelson-típusú, 4 illetve 3 kilométer karhosszúságú lézer-interferométerek, melyek a vákuumban felfüggesztett tükrök közti távolságok 10-21 nagyságrendű relatív megváltozásának kimutatására képesek a néhány száz hertzes frekvenciatartományban. Abból, hogy gravitációs hullámot nem sikerült eddig kimutatni, az adott frekvenciájú gravitációs sugárzást kibocsátó asztrofizikai források gyakoriságára vonatkozó korlátok származtatására nyílt lehetőség.


A gravitációs hullámok első közvetlen kimutatásához, majd a heti, napi rendszerességű későbbi észlelésekhez az érzékenység további javítása szükséges. Ezért jelenleg az említett nagy detektorok átépítése folyik, melynek során tökéletesítik a szeizmikus szigetelést, a vákuum-technikát, az optikát. Az észlelést egyéb zajforrások mellett az elektromágneses tér vákuum-fluktuációi is megnehezítik. Ezt sikerült lényegesen csökkenteni az ún. „préselt fény” használatával a LIGO Tudományos Kollaboráció által működtetett németországi GEO 600 méteres karhosszúságú detektorában. A Heisenberg-féle határozatlansági elv értelmében a lézerfény intenzitása (amplitúdója) és színe (fázisa) tetszőleges pontossággal egyidőben nem rögzíthető. A GEO600 méréseihez elegendő viszont az intenzitást igen pontosan beállítani, ennek ára tehát az, hogy a nyaláb „sokszínűbbé” válik. Az ilyen módon preparált fény a préselt fény, melyet első ízben sikerült laboratóriumi körülményeken kívül alkalmazni – az eredmények a Nature Physics hasábjain jelentek meg 2011 decemberében.


gravitacios_hullamok


A GEO600 detektor érzékenységet jellemző ún.
zajgörbe normál és „préselt” fény alkalmazása
esetén – fekete, illetve piros görbeként
(http://www.geo600.org).


A jelenlegi detektorok fejlesztése mellett már javában zajlik a következő generációs gravitációshullám-obszervatórumok tervezése és előkészítése is. A 2020-as évekre várható a földalatti Einstein Obszervatórium megépítése (ennek egyik lehetséges helyszíneként hazánk, pontosabban Gyöngyösoroszi-Ércbánya térsége is felmerült), valamint a több millió km-es karhosszúságú űrinterferométer, a LISA (Laser Interferometer Space Antenna) program európaivá honosított változata, az eLISA felbocsátása is.

A LIGO Tudományos Kollaboráció több száz tagot számláló nemzetközi tudományos közösség, melyben a műszerek tervezése, működtetése, az adatfeldolgozás, a gravitációs hullámforrások elméleti modellezése, a jelkeresés és a programozói munka egyaránt szerephez jut. Magyarországi tagja az Eötvös Gravity Research Group konzorcium. Ennek részeként a Dr. Gergely Árpád László (SZTE TTIK Elméleti Fizikai Tanszék / Kísérleti Fizikai Tanszék) által koordinált SZTE-s kutatócsoport feketelyuk-kettősök gravitációs hullámainak modellezésével, a források paraméterbecslésével és a hullámformák programozásával vesz részt. A szegediek a LIGO Tudományos Kollaboráció mellett 2010 óta a Black Holes in a Violent Universe EU-kollaborációnak is tagjai.
A csoport – melyben Dr. Gergely Árpád László és Dr. Keresztes Zoltán mellett PhD-hallgatók és diplomamunkások is dolgoznak – különböző gravitációelméleti és kozmológiai területeken végez elméleti és modellalkotói munkát, neves külföldi egyetemek és intézetek szakembereivel együttműködve. Egyik fő témájuk a szupernehéz (több millió, vagy akár több milliárd naptömegű), illetve csillagméretű feketelyuk-kettősök gravitációs hullámformáinak programozása, melynek részeként többek között forgó feketelyuk-kettősök bonyolult dinamikáját is modellezik. Bár a gravitációs hullámok detektálására valószínűleg még éveket kell várni, a különböző jelalakok modellezésének hosszas folyamatát már most intenzíven kell végezni, hogy a következő generációs műszerekkel várható észlelési adatosorokból sikerüljön kiszűrni a valós asztrofizikai forrásokra utaló eseményeket.


feketelyuk


Balra: Illusztráció egy fekete lyukakból álló kettős rendszerről (D. A. Aguilar,
Center for Astrophysics, Cambridge, USA). Jobbra: Példa a forgó feketelyukkettősök
bonyolult dinamikájának geometriai modellezésére (Gergely Á. L., 2010,
Physical Review D, 81, 084025).


Képgaléria

03.jpg
Friss hírek RSS

Friss hírek

2019. január 09.
2019. január 09.
2019. január 09.

Rendezvénynaptár

Rendezvénynaptár *

Kövess minket

Facebook YouTube Twitter Google Plus