Először detektálták összeütköző neutroncsillagok gravitációs hullámait

  • Az amerikai LIGO gravitációs-hullám detektorok először észleltek neutroncsillagok összeütközéséből származó jelet.
  • Az összeolvadó neutroncsillagok tömege egyenként 1.1-1.6 Naptömeg közötti.
  • Az európai Virgo gravitációshullám-detektor mérési “vakfoltja” miatt nem érzékelte a jelet, de pont emiatt közvetve segített annak forrását behatárolni.
  • Ezzel szinte egyidejűleg a Fermi és INTEGRAL űrtávcsövek egy gamma-kitörést érzékeltek a LIGO-Virgo detektorok által meghatározott területről.
  • A gamma-kitörés és a gravitációs-hullámok nagy valószínűséggel egy forrásból származnak.
  • A gamma-kitörés optikai utófényének színképében aranyat és platinát sikerült kimutatni.
  • Egyszerre sikerült egy eseményből származó gravitációs hullámokat, gamma-kitörést és annak utófényét észlelni.
  • Első alkalommal számolták ki a világegyetem tágulásának ütemét leíró Hubble-állandó értékét egy gravitációs hullám észlelésből.
  • Az ELTE kutatói és általuk fejlesztett adatbázisok fontos szerepet játszottak a felfedezésekben.
  • A LIGO és a Virgo gravitációshullám-detektorok jelenleg le vannak állítva, mert továbbfejlesztésük zajlik a 2018 őszi megfigyelési időszakra.

2017 augusztus 17-én, magyar idő szerint 14:41-kor mindkét amerikai LIGO detektor (LIGO Hanford és Livingston) gravitációshullám-jelet észleltek. Az észlelés dátumáról elnevezett “GW170817” jel az eddigi legerősebb (legnagyobb jel-zaj arányú) és időben leghosszabban (100 másodpercig) észlelt gravitációshullám-jel. Jellemzői arra utalnak, hogy a forrása két, a Földtől 130 millió fényév távolságra összeütköző neutroncsillag volt. Ez az eddigi legközelebbről észlelt gravitációs hullám is egyben.

Két neutroncsillag összeolvadásának szimulációja. Forrás: NASA

A gravitációs hullámok a téridő fodrozódásai, amelyek nagy-energiájú gravitációs kölcsönhatások során keletkeznek és fénysebességű hullámokként terjednek kifele a forrásuktól. Amikor elhaladnak a megfigyelő mellett, a téridő a hullám terjedési irányára merőlegesen deformálódik, az objektumok közötti távolságok ritmikusan megnyúlnak vagy megrövidülnek. A megfigyelhető gravitációs hullámok az univerzumban tapasztalt legnagyobb energiájú események során keletkeznek - neutroncsillagok összeolvadásakor, fekete lyukak ütközése vagy szupernóva robbanások során. Hatásuk a Földön így is elképesztően apró, ezért detektálásukhoz nagyon szofisztikált lézer-interferometrikus detektorokra van szükség, amelyek a proton átmérőjének tízezredrészét (!) kitevő hossz változásokat is képesek érzékelni több kilométeres távolságokon.

A LIGO Hanford detektor Washington államban. Forrás: LIGO

Létezésüket Einstein 1916-os általános relativitáselmélete jelezte előre. Az első gravitációs hullám detekcióra ("GW150914") 99 évvel később, 2015 szeptember 14-én került sor, amelyet 2016 elején jelentett be hivatalosan a LIGO-Virgo tudományos kollaboráció. Ennek elismerésére kapta a 2017-es fizikai Nobel-díjat a LIGO-t alapító Rainer Weiss, Kip Thorne és Barry Barish. A ma közölt "GW170817" jel előtt négy alaposan megerősített gravitációs hullám észlelésre került sor, amelyek közül az utolsót, a "GW170814" jelet egyszerre érzékelte a LIGO két amerikai detektora és az európai Virgo obszervatórium. Mind a négy eddigi jel fekete lyukak összeütközéséből származott. 

Az eddig észlelt gravitációs hullámokhoz meghatározott égterületek. Forrás: Giuseppe Greco, Nicolas Arnaud

A LIGO és Virgo detektorok leginkább a fekete lyukak és neutroncsillagok ütközéséből származó gravitációs hullámokat képesek észlelni. Ebben az esetben a két összeolvadt objektum becsült tömege egyenként 1.1-1.6 Naptömeg, amely neutroncsillagokra jellemző. Összehasonlításképp, a fekete lyukak 5 Naptömeg vagy afeletti objektumok. 

A LIGO és Virgo detektorok adatai idő-frekvencia térképen ábrázolva, időben balról jobbra haladva a GW170817 jel kezdetétől a neutroncsillagok összeolvadásáig. Forrás: EGRG/LIGO/Virgo

Az észlelés idején szintén üzemelő olaszországi Virgo detektor a forrás közelsége ellenére nem észlelte a jelet, így annak az ég egy nagyon szűk területéről kellett származnia, amelyik a Virgo egyik “vakfoltjára” esik. Ennek köszönhetően közvetve a Virgo is hozzájárult a jelet közvetlen észlelő LIGO detektorokkal a forrás helyének megtalálásához. A kutatók egy 34 négyzetfok nagyságú területre szűkítették le azt, amely nagyjából háromszor akkora, mint a kinyújtott kezünk hüvelykujja által az égboltból kitakart terület.

A forrásnak a különböző műszerekkel meghatározott égterületei, valamint a forrásról a Swope teleszkóp által készített kép, és egy, a DLT40 teleszkóppal kb. egy nappal korábbi felvétel, amelyen még nem látható utófény. Forrás: LIGO/Virgo

Ez már a "többcsatornás csillagászat" korszaka

Két másodperccel a GW170817 jel LIGO általi detekciója után, a Fermi és az INTEGRAL gamma-sugárzást mérő űrtávcsövek egy rövid gamma-kitörést észleltek, amely a GRB170817A nevet kapta. Az űrteleszkópokkal a gamma-kitöréshez rendelt égterület sokkal nagyobb, mint a LIGO-Virgo által meghatározott, viszont utóbbi beleesik az űrtávcsövek által megállapítottba.

A GW170817 és a GRB170817A jelek forrásának típusát, időbeli és forrásirányuk egyezését figyelembe véve, a kutatók nagyon valószínűnek tartják, hogy a gamma-kitörés forrása az összeolvadó neutroncsillagok.

Az űrtávcsövek méréseiből a gamma-kitörés távolsága nem megállapítható (az iránya is csak kis pontossággal), de ha a gravitációs hullám és a gamma-kitörés forrása ténylegesen ugyan az, akkor ez volt a valaha észlelt legközelebbi rövid gamma-kitörés.

Az ELTE LIGO tagcsoportja volt az első, amely a GW170817 jel égterülete és becsült forrástávolsága alapján közzétette a lehetséges forrásgalaxisok listáját az általuk fejlesztett “GLADE” galaxiskatalógus segítségével, amelyet erre a célra hoztak létre a LIGO-Virgo kollaboráció és csillagász partnerei számára.

Az ELTE LIGO tagcsoportja. Balról jobbra: Bécsy Bence, Raffai Péter, Frei Zsolt, Dálya Gergely és Szölgyén Ákos. Forrás: EGRG

Az ELTE-s kutatócsoport galaxiskatalógusát használva a LIGO-Virgo kollaboráció négy csillagász partnere fedezte fel egymástól függetlenül a neutroncsillagok ütközésének optikai utófényét. Valamennyi független megfigyelő az utófényt az NGC 4993 nevű galaxisban azonosította.

A csillagászok az utófényt optikai, infravörös, ultraibolya, röntgen és rádió hullámhosszakon is megtalálták. A Hubble-űrtávcső, a Chile-ben található európai VLT teleszkóp és az amerikai Gemini obszervatórium az utófény színképéből arany és platina jelenlétét mutatta ki az összeolvadásból visszamaradt anyagban. Ez megerősíti azokat a legújabb elméleteket, amelyek szerint a kémiai periódusos rendszer vason túli, legnehezebb elemeinek hozzávetőlegesen fele nem szupernóva-robbanásokból, hanem összeütköző neutroncsillagokból származik.

Az alábbi ábrán a gravitációshullám-jel és a különböző elektromágneses jelek észleléseinek időpontjait láthatjuk. Forrás: LIGO/Virgo

A gravitációshullám-jel, a gamma kitörés és annak utófényének szinte egyidejű megfigyelésével a csillagászat egy új ága született meg, a többcsatornás csillagászat.

Gravitációshullám-kozmológia

De ezzel még nincs vége a felfedezéseknek. A LIGO-Virgo kollaboráció kutatói először számolták ki gravitációshullám-észlelésből az univerzum tágulásának ütemét leíró Hubble-állandó értékét. Ehhez a kollaboráció ismét az ELTE galaxiskatalógusát használta és a munkában Dálya Gergely doktorandusz és Raffai Péter adjunktus is részt vettek. Az eredeti ötletet, hogy a Hubble-állandó méréséhez használhatók gravitációshullám-jelek az amerikai LIGO-tag Barnard Schutz közölte még 1986-ban. 31 évet kellett várni, hogy elképzelése valóra váljon.

Az ábrán a Hubble-állandónak a GW170817 észlelésével kiszámolt valószínűség-eloszlás látható (kék folytonos görbe). A szaggatott és pontozott vonalak az eloszlás konfidenciaintervallumait jelölik ki. A zöld és narancssárga sávok rendre Hubble-állandónak a kozmikus háttérsugárzás (Planck) és a szupernóva-robbanások és cefeida csillagok (SHoES) megfigyeléséből kiszámolt valószínűség-eloszlásainak konfidenciaintervallumait jelölik. A GW170817 gravitációshullám-jelből rekonstruált H0=70(+12,-8) km/(s*Mpc) Hubble-állandó érték a meghatározás bizonytalanságain belül összhangban van mindkét korábbi mért értékkel. Forrás: LIGO/Virgo

A Hubble állandó értéke eddig csak elektromágneses megfigyelésekből volt ismert. A kozmológusok között jelenleg vita folyik az állandó pontos értékéről, a kozmikus háttérsugárzás Planck űrszonda 2015-ös és szupernóva-robbanások 2016-os megfigyelésből kissé eltérő értéket számoltak ki. A vitát a LIGO-Virgo kollaboráció kutatói sem tudták eddig eldönteni, mivel egyetlen gravitációshullám-jellel csak olyan pontossággal tudták kimérni a Hubble állandót, amely mindkét ismert értékkel összhangban van.

A GW170817 jelből a Hubble-állandó értéke kétféle módszerrel is kiszámolható, egy a forrásgalaxis ismeretében, egy anélkül. A két módszer használata alapján írt két cikk az ELTE-s kutatók hozzájárulásaival és az ELTE galaxiskatalógusára való hivatkozással jelenik meg, az egyik a vezető tudományos folyóiratban, a Nature-ben. 

Ez a gravitációshullám-kozmológia első, úttörő eredményét jelenti.

Forrás: EGRG, LIGO. A címlapi kép: művészi fantáziarajz a két neutroncsillag összeolvadásáról: NSF/LIGO/Sonoma State University/Aurore Simonnet.

Népszerű
Uralkodj magadon!
Új kommentelési szabályok vannak 2016. január 21-től. Itt olvashatod el, hogy mik azok, és itt azt, hogy miért vezettük be őket.
;