A GW170817 gravitációshullám-felfedezés

Sajtóközlemény

2017. október 16. 16:00 CET

A LIGO ÉS VIRGO ELŐSZÖR ÉSZLELTE ÖSSZEÜTKÖZŐ NEUTRONCSILLAGOK GRAVITÁCIÓS HULLÁMAIT

Ez az első olyan kozmikus esemény, amit gravitációs hullámokkal és fénnyel is sikerült megfigyelni

Magyar kutatók is részt vettek a felfedezésben


A tudósok először észleltek közvetlenül gravitációs hullámokat - a téridő fodrozódásait - és fényjeleket is két neutroncsillag látványos összeütközéséből. Ez az első alkalom, hogy egy kozmikus eseményt gravitációs hullámokkal és fénnyel is sikerült megfigyelni.

A felfedezést az amerikai Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) és az európai Virgo detektorok, valamint közel 70 földi és űrbeli obszervatórium érték el.

A neutroncsillagok a ma ismert legkisebb és legsűrűbb objektumok, amelyek akkor keletkeznek, amikor nagytömegű csillagok szupernóvaként felrobbannak. Mialatt két ilyen neutroncsillag egymás felé spirálozott, olyan gravitációs hullámokat keltettek, amelyek mintegy 100 másodpercig voltak észlelhetők. Az összeütközésük során egy fényfelvillanást bocsátottak ki gammasugarak formájában, amely a Föld közelében is érzékelhető volt, két másodperccel a gravitációs hullámok észlelése után. Napokkal és hetekkel az összeolvadás után az elektromágneses sugárzás (fény) más hullámhosszú formáit - röntgen, ultraibolya, optikai, infravörös sugarakat és rádióhullámokat - is sikerült megfigyelni.

A megfigyelések mindeddig példátlan lehetőséget nyújtottak a csillagászoknak arra, hogy a neutroncsillagok összeütközését tanulmányozzák. Az amerikai Gemini obszervatórium, az európai EVLT teleszkóp, és a NASA Hubble űrtávcsöve például frissen keletkezett elemek jelenlétét, köztük aranyét és platináét mutatták ki az esemény utófényéből, megoldva annak évtizedes rejtélyét, hogy hol keletkezik a vason túli kémiai elemek mintegy fele.

A LIGO-Virgo Kollaboráció eredményei ma jelennek meg a Physical Review Letters folyóiratban, emellett a LIGO és Virgo kollaborációk, valamint a csillagász közösség további szakcikkei is különféle folyóiratokban várnak vagy kerültek elfogadásra.


Égi jelek

A GW170817 nevet kapott gravitációshullám-jelet augusztus 17-én, magyar idő szerint 14:41-kor észlelte a LIGO Hanfordban (Washington állam, USA) és Livingstonban (Louisiana állam, USA) található két egyforma detektora. Az olaszországi Pisa mellett található Virgo detektor adatai a kozmikus esemény égi pozíciójának pontosabb meghatározását tették lehetővé. Az észlelés idején a LIGO már az Advanced LIGO programban történt továbbfejlesztése utáni második megfigyelőidőszaka végéhez közeledett. A Virgo az első adatgyűjtési periódusát végezte, röviddel az Advanced Virgo fejlesztési programjának befejeződése után.

Az NSF által támogatott LIGO obszervatóriumoknak a Caltech és az MIT az ötletgazdái, megépítői, és működtetői. A Virgo-t az olaszországi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), és a franciaországi Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) támogatja. A LIGO Scientific Collaboration és a Virgo Collaboration együttműködésekben összesen mintegy 1500 tudós dolgozik a detektorok működtetésén, valamint a detektorokkal összegyűjtött gravitációshullám-adatok kiértékelésén és megértésén.

Mindhárom detektor két, L-alakban elhelyezett alagútból áll, amelyek találkozási pontjában egy lézersugarat osztanak ketté. A sugarak mindkét alagút mentén végigfutnak, majd ingaként felfüggesztett tükrökről visszaverődve jutnak vissza a kiindulási ponthoz. Gravitációs hullámok nélkül a lézersugarak pontosan egyidőben érkeznek vissza a kettéosztás helyéhez. Ha az obszervatóriumon gravitációs hullám halad át, az megváltoztatja a lézersugarak visszaérkezési idejét, az obszervatórium kimeneti jelében egy szinte alig észrevehető változást okozva.

Augusztus 17-én a LIGO valós idejű adatfeldolgozást végző szoftvere a két LIGO detektor egyikénél egy erős gravitációshullám-jelet rögzített. Vele közel egyidőben a NASA Fermi űrteleszkópjának Gamma-ray Burst Monitor nevű műszere egy gammasugár-kitörést észlelt. A LIGO-Virgo adatokat feldolgozó szoftver a két egyidejű jelet úgy értékelte, hogy a véletlen egybeesésük rendkívül valószínűtlen, a LIGO egy másik automatizált adatfeldolgozó szoftvere pedig azt is jelezte, hogy egy a két eseménnyel egyidejű gravitációshullám-jel a másik LIGO detektor adataiban is jelen van. A LIGO-Virgo Kollaboráció gyors észlelése, valamint a Fermi gamma-észlelése együtt lehetővé tették, hogy szerte a világban az esemény utófényének keresése elinduljon, csillagászati teleszkópokkal.

A LIGO adatok azt mutatták, hogy a Földhöz viszonylag közel, körülbelül 130 millió fényévnyire, két asztrofizikai objektum egymásba spirálozódott. A jel alapján úgy tűnt, hogy ezek az objektumok a fekete lyukaknál - amelyeket a LIGO és Virgo detektorok korábban már észleltek - kisebb tömegűek voltak. A bespirálozó objektumok tömegei a Nap tömegének 1,1-szerese és 1,6-szerese közé estek, ami a neutroncsillagok jellemző tömegtartománya. Egy neutroncsillag körülbelül 20 kilométer átmérőjű, az anyaga pedig olyan sűrű, hogy abból mindössze egy teáskanálnyi is mintegy egymilliárd tonnát nyom.

Míg a fekete lyukak a másodperc törtrészéig keltenek jelet a LIGO detektorokkal megfigyelhető frekvenciasávban, az augusztus 17-ei jel mintegy 100 másodpercig tartott, és áthaladt a LIGO teljes frekvenciatartományán. A tudósok a jel forrásaként olyan objektumokat azonosítottak, amelyek sokkal kisebb tömegűek voltak, mint az eddig megfigyelt fekete lyukak. Az észlelt gravitációshullám-jel alakja, és a belőle meghatározott komponenstömegek is két bespirálozó neutroncsillagéval voltak összhangban.

Az elméleti előrejelzések korábban azt mutatták, hogy az ütköző neutroncsillagok gravitációs hullámok mellett gammasugarakat is kibocsátanak, míg az előbbit minden irányban, addig az utóbbit két átellenes nyalábban, csak meghatározott irányok felé. A tény, hogy a Fermi egy ún. rövid gamma-kitörést észlelt, azt mutatja, hogy ezeknek a kitöréseknek legalább egy részét ütköző neutroncsillagok keltik - pontosan úgy, ahogyan azt az elméletek előrejelezték.

A gamma-kitörés észlelésével azonban új rejtély is felmerült. Miközben a megfigyelt rövid gamma-kitörés a Földhöz eddigi legközelebbi volt, a viszonylagos kis távolsága ellenére mégis meglepően gyengének mutatkozott. A jelenségre kézenfekvő magyarázatot adhat, hogy a nyaláb, amelyben a gammasugarak érkeztek, nem pontosan a Föld felé mutatott, a tudósok azonban még jelenleg is dolgoznak annak megfejtésén, hogy pontosan mi is okozhatta a kitörés gyengeségét.


Folt az égen

Jóllehet a gravitációs hullámokat először a LIGO detektorok észlelték az Egyesült Államokban, a történetben az olaszországi Virgo is kulcsszerepet játszott. A forráshoz képesti elhelyezkedése miatt a Virgo csak egy kicsiny jelet rögzített, amelyet azonban összekombinálva a LIGO által észlelt jelekkel, a jelek egymáshoz képesti erősségéből és rögzítési időiből a kutatók minden eddiginél pontosabban meg tudták határozni a forrás égi pozícióját. Egy alapos vizsgálat után, ami annak kiderítését célozta, hogy az észlelés nem csupán a detektorok zajára vezethető-e vissza, a tudósok végül arra a következtetésre jutottak, hogy egy olyan gravitációshullám-jelről van szó, amely a déli égbolt egy viszonylag kis területén belülről érkezett.

A forrás hozzávetőleges égi elhelyezkedését a Fermi űrtávcső is meghatározta, ezt később a LIGO-Virgo adatokból megállapított égi koordináták nagyban megerősítették és pontosították. Órákkal később, ezekkel a koordinátákkal a világ különböző részein néhány obszervatórium megkezdhette az égterület átfésülését, a forrás utófényét keresve. Az egy új csillag fényéhez hasonlító utófényt először optikai távcsövek találták meg. Az utófényt végül összesen mintegy 70 különböző földi és űrben keringő obszervatórium figyelte meg, a nekik megfelelő hullámhosszakon.


Egy tűzgömb és utófénye

Az elektromágneses obszervatóriumok külön fogják kiadni a saját megfigyelési eredményeiket az asztrofizikai eseményről. Az obszervatóriumok által az eseményről kialakított közös kép ugyanakkor már most megerősíti azt, hogy az észlelt gravitációs hullámok valóban két bespirálozó neutroncsillagból származtak.

Körülbelül 130 millió évvel ezelőtt a két neutroncsillag az egymás körüli keringésük utolsó fázisába kerültek, mindössze 300 kilométerre megközelítve egymást, a közeledésük során egyre nagyobb sebességre szert téve. Ahogy a neutroncsillagok egyre gyorsabban és egyre közelebb keringtek egymáshoz, egyre jobban torzították maguk körül a téridőt, az energiájukat gravitációs hullámok formájában kisugározva, egészen az összeütközésükig.

Az összeütközés pillanatában a két neutroncsillag egyetlen ultrasűrű objektummá olvadt össze, miközben forró "tűzgömbként" gammasugarakat bocsájtottak ki. A gammasugarak első mérései, összekombinálva a gravitációshullám-észlelésekkel, megerősítik Einstein általános relativitáselméletét is, amely arra következtetett, hogy a gravitációs hullámok is fénysebességgel kell, hogy terjedjenek.

Az elméleti előrejelzések alapján a tűzgömböt egy úgynevezett "kilonóva" követi, amelyben a neutron csillagok összeütközéséből visszamaradt, fényesen világító anyag egy része kilökődik az ütközési maradvány közvetlen közeléből, szerte a világűrbe. A kilonóva fényének megfigyelései rámutattak, hogy a nehéz kémiai elemek, köztük az ólom és az arany, ilyen ütközésekben keletkezve szóródik szét a világegyetemben.

A következő hetekben és hónapokban a teleszkópok a világ minden részén folytatni fogják az összeolvadt neutroncsillagok utófényének megfigyelését, és további adatokat gyűjtenek az összeolvadás különböző fázisairól, az esemény kölcsönhatásáról a környező anyaggal, és a világegyetem legnehezebb elemeit eredményező folyamatokról.




A LIGO-t az NSF támogatja, a Caltech és az MIT működteti, akik egyben a projekt ötletgazdái és megépítői. Az Advanced LIGO projekt vezető pénzügyi támogatója az NSF volt, Németország (Max Planck Társaság), az Egyesült Királyság (Tudomány és Technológiai Testület), és Ausztrália (Ausztrál Kutatási Tanács) szintén jelentős kötelezettségvállalást és hozzájárulást adott a projekthez.

A programban több mint 1200 tudós vesz részt a világ minden tájáról a LIGO Scientific Collaboration együttműködésen keresztül, amely a GEO Kollaborációt is magába foglalja. A további partnerek listája itt található: ligo.org/partners.php

A Virgo kollaboráció több, mint 280 fizikusból és mérnökből áll, akik 20 különböző európai kutatócsoporthoz tartoznak: hat csoport a franciaországi Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), nyolc az olaszországi Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), kettő a hollandiai Nikhef tagja; további tagok az MTA Wigner KKP Magyarországon, a POLGRAW csoport Lengyelországban, a Valenciai Egyetem Spanyolországban, és az EGO, ami az olaszországi Pisa mellett működő Virgo detektor anyaintézete.




További információk a felfedezésről: ligo.elte.hu (LIGO), wigner.mta.hu (Virgo)

Médiakapcsolat:

Frei Zsolt
csoportvezető, Eötvös Loránd Tudományegyetem LSC tagcsoport
+36-1 372-2767
frei@alcyone.elte.hu
Web: egrg.elte.hu

Raffai Péter
szenior tag, Eötvös Loránd Tudományegyetem LSC tagcsoport
+36-1 372-2751
praffai@caesar.elte.hu
Web: egrg.elte.hu


» Következő:  Multimédia