A GWTC-3 gravitációshullám-katalógus

Sajtóközlemény

2021. november 8. – Fordította és szerkesztette: Frei Zsolt, Molnár András, Raffai Péter


Fekete lyukak "minden formában és méretben" a LIGO-Virgo-KAGRA
új gravitációshullám-katalógusában


A LIGO-Virgo-KAGRA Kollaboráció ma közzétette a fekete lyukak és neutroncsillagok összeolvadásainak eddigi legnagyobb katalógusát. A bespirálozó kettősöktől származó gravitációs hullámokat a nemzetközi kutatói együttműködés tagjai fedezték fel a LIGO-Virgo detektorhálózat segítségével. Amint azt az ArXiv-on ma megjelent tanulmány részletezi, az együttműködés 35 új gravitációs hullámot észlelt a legutóbbi, 2020 októberében közzétett katalógushoz képest. Ezzel már 90-re nőtt az észlelt gravitációshullám-jelek száma.

Nemzetközi eredmény

A katalógus 2019 novembere és 2020 márciusa között megfigyelt eseményekkel bővíti a gravitációs hullámok listáját. Az észleléseket három detektor segítségével sikerült elérni: az Egyesült Államokban (Louisiana és Washington államban) található két Advanced LIGO detektorral, valamint az olaszországi Advanced Virgo detektorral. E három detektor adatait a nemzetközi LIGO Scientific Collaboration, a Virgo Collaboration, és a KAGRA Collaboration kutatói elemezték ki.

Mit talált a LIGO-Virgo-KAGRA?

A 35 észlelt jelből 32 nagy valószínűséggel fekete lyukak összeolvadásából származott. Ennek során két fekete lyuk spirálvonalon kering egymás körül, amelynek végén egyesülnek, miközben gravitációs hullámokat bocsátanak ki.

Az összeolvadt fekete lyukak változatos méretűek, a legnagyobbak a Napunk tömegének 90-szeresének megfelelő tömeggel bírnak. Az összeolvadásokból keletkezett fekete lyukak közül több is meghaladja a Napunk tömegének 100-szorosát, így az ún. köztes tömegű fekete lyukak közé sorolhatók. Az asztrofizikusok az elméletek szintjén már régóta foglalkoznak a fekete lyukak ezen típusával, azonban kísérleti bizonyíték csak a gravitációs hullámoknak köszönhetően van a létezésükre. A legújabb LIGO-Virgo-KAGRA észlelések megerősítik, hogy a fekete lyukak ezen új osztálya sokkal gyakoribb az Univerzumban, mint korábban gondoltuk.

A 35 észlelt esemény közül kettő valószínűleg egy neutroncsillag és egy fekete lyuk összeolvadása volt. Ezek igen ritka események, amelyeket csak a LIGO és a Virgo legutóbbi adatgyűjtő időszakában sikerült megfigyelni. A két esemény közül az egyikben egy hatalmas, 33 naptömegű fekete lyuk egyesült egy nagyon kis, mindössze 1,17 naptömegű neutroncsillaggal. Ez az egyik legkisebb tömegű neutroncsillag, amelyet valaha észleltek gravitációs hullámok vagy elektromágneses hullámok segítségével.

A fekete lyukak és a neutroncsillagok tömege kulcsfontosságú támpontot ad arra vonatkozóan, hogy a nagytömegű csillagok hogyan fejlődnek, és hogyan pusztulnak el szupernóva-robbanásokban. A felfedezésekkel most kezdjük csak látni a fekete lyukak és a neutroncsillagok sokféleségét. A legújabb eredmények azt bizonyítják, hogy ilyen kettősök sokféle méretben és párosításban léteznek. Megoldódott néhány régóta fennálló rejtély, de eközben újak is felmerültek. A megfigyelések segítségével közelebb kerültünk ahhoz, hogy megfejtsünk a csillagok fejlődésével kapcsolatos kérdéseket.

A katalógusban szereplő gravitációs hullámok egyike két olyan objektum összeolvadásából származott, amelyek közül az egyik szinte biztosan fekete lyuk volt (a tömege 24 naptömeg), a másik viszont vagy egy extrém könnyű fekete lyuk, vagy egy nagyon nehéz, 2,8 naptömegű neutroncsillag. A kutatók arra következtettek, hogy valószínűleg fekete lyukról van szó, de nem lehetnek teljesen biztosak ebben. Hasonló kérdéses eseményt fedezett fel a LIGO és a Virgo 2019 augusztusában is. A kisebb objektum tömege mindkét esetben rejtélyes, mivel a szakemberek szerint a legnagyobb tömeg, amit egy neutroncsillag elérhet még azelőtt, hogy fekete lyukká omlana össze, körülbelül a Napunk tömegének 2,5-szerese. Emellett ugyanakkor elektromágneses megfigyelésekkel eddig még nem fedeztek fel olyan fekete lyukat sem, amelynek tömege 5 naptömegnél kisebb lett volna. Ez korábban olyan elméletek kiindulópontja volt, amelyek szerint a csillagok ebben a tömegtartományban nem omlanak össze fekete lyukakká. Az új gravitációshullám-megfigyelések azt jelzik, hogy ezeket az elméleteket vélhetően felül kell vizsgálni.

Óriási előrelépés

A gravitációs hullámokat először Albert Einstein jósolta meg 1916-ban, az általános relativitáselmélet alapján. Mivel a Földet elérő gravitációs hullámok nagyon kis hatást keltenek, sok évtizedes munkára volt szükség ahhoz, hogy a kimutatásukhoz elég pontos műszereket építsünk.

A gravitációs hullámok első, 2015-ös észlelése óta a megfigyelések száma robbanásszerűen emelkedik. Innen néhány év alatt odáig jutottunk, hogy átlagosan heti rendszerességgel, sőt, néha egyazon napon több eseményt is megfigyelünk.

A gravitációshullám-detektorok nagyteljesítményű lézerek segítségével mérik azokat az időket, amely alatt a fény két egymásra merőleges kar mentén verődik oda-vissza a tükrök között. A harmadik megfigyelési időszakban a gravitációshullám-detektorok az eddigi legérzékenyebb beállításokkal működtek, a folyamatos fejlesztéseknek köszönhetően.

A LIGO és a Virgo detektorok érzékenysége folyamatosan javul, többek közt a megnövelt lézerteljesítmény és az ún. préselt fény technikájának alkalmazása révén. A detektorok megnövelt érzékenysége lehetővé tette több izgalmas gravitációshullám-esemény megfigyelését, köztük az első biztosnak mondható neutroncsillag - fekete lyuk összeolvadásét.

A préselt fény alkalmazása a fény kvantummechanikai tulajdonságainak kihasználását jelenti, a mérési bizonytalanságok minimalizálása érdekében. A Heisenberg-féle határozatlansági reláció korlátozza, hogy milyen pontosan lehet egyszerre mérni valaminek a helyét és lendületét. A préselt fény a fény egy speciális kvantummechanikai állapota, amely minimalizálja a gravitációs hullámok méréséhez szükséges fizikai mennyiségek bizonytalanságát.

Pásztázzuk az eget

Ahogy a gravitációs hullámok észlelésének száma növekszik, az adatkiértékelő technikákat is fejlesztjük, hogy ezzel biztosítsuk az eredmények nagy pontosságát és megbízhatóságát. A észlelt jelek egyre bővülő katalógusa lehetővé teszik számunkra, hogy a fekete lyukak és a neutroncsillagok tulajdonságait eddig elérhetetlen pontossággal tanulmányozzuk.

Minden új megfigyelési időszak új felfedezéseket és meglepetéseket hoz. A harmadik megfigyelési időszak során a gravitációs hullámok észlelése mindennapossá vált, de még így is minden egyes észlelés nagy jelentőséggel bír. A jövőbeli megfigyelési időszakok bizonyosan több szokatlan eseményt fognak hozni, az asztrofizika területén így bőven van még mit felfedeznünk.

A jelek azonosítása a detektor adataiban gondos elemzést igényel, hogy a valódi gravitációs hullámokat meg lehessen különböztetni a háttérzajtól. A megfigyelési időszak során a detektorok nemzetközi hálózatából gyűjtött információk alapján pontosan meg tudjuk határozni, mely jelek származtak valódi gravitációs hullámokból.

A mostani megfigyelési időszak másik jelentős vívmánya, hogy a kutatók már az észleléseket követő percekben nyilvános riasztást küldtek a világ más obszervatóriumai és detektorai számára. Így a neutrínódetektorok és a fényt észlelő távcsövek hálózata arra a területre tudott fókuszálni, ahonnan a gravitációs hullámok érkeztek. A gravitációshullám-jelek elektromágneses és neutrínó megfelelői ritkák, emellett megtalálni is rendkívül nagy kihívás őket. A gyors riasztás ebben a keresésben óriási előnyt jelent. Az újonnan bejelentett gravitációs hullámok egyikéhez sem találtak elektromágneses vagy neutrínó megfelelőt, az egyedüli ilyen forrás továbbra is a 2017-es neutroncsillag-összeolvadás.

A kutatás jövője

A LIGO és a Virgo obszervatóriumok jelenleg fejlesztéseken mennek át a közelgő negyedik megfigyelési időszak előtt, amely várhatóan 2022 második felében kezdődhet el. Ehhez az időszakhoz már a japán KAGRA obszervatórium is csatlakozni fog. A mélyen egy hegy alatt található KAGRA 2020-ban sikeresen teljesítette első megfigyelési időszakát, azonban még nem csatlakozott a LIGO és a Virgo közös megfigyeléseihez. Több detektorral az események égi pozíciójának meghatározása is pontosabb lesz.

Ahogy egyre több megerősített észlelés kerül a LIGO-Virgo-KAGRA gravitációshullám-katalógusba, egyre többet tudunk meg ezekről a csillagászati jelenségekről. A következő megfigyelési időszak előtt a meglévő adatok további elemzésével még több információhoz fogunk jutni a neutroncsillagokról és a fekete lyukakról, emellett akár az adatsorokban rejtőző, új típusú jelek felfedezésére is van még esély.




További információk a gravitációshullám-obszervatóriumokról:

Ez az anyag az NSF LIGO Laboratóriuma által támogatott munkán alapul, amely a National Science Foundation által finanszírozott nagyszabású létesítmény. A LIGO-t a Caltech és az MIT üzemelteti, amelyek egyben a LIGO ötletgazdái és megépítői, továbbá az Advanced LIGO detektor projekt vezetői is. Az Advanced LIGO projekt pénzügyi támogatása elsősorban az NSF-től és Németországtól (Max Planck Társaság), az Egyesült Királyságtól (Tudomány és Technológiai Testület) valamint Ausztráliától (Ausztrál Kutatási Tanács - OzGrav) származott, jelentős kötelezettségvállalásokat és hozzájárulásokat téve a projekthez. A világ minden tájáról körülbelül 1400 tudós vesz részt az adatok elemzésére és a detektortervek kidolgozására irányuló erőfeszítésekben a LIGO Scientific Collaboration (LSC) együttműködésen keresztül, amely a GEO Kollaborációt is magában foglalja. A további partnerek listája itt érhető el.

A Virgo Kollaboráció jelenleg 14 különböző ország 119 intézményének mintegy 650 tagjából áll. A tagországok között van Belgium, Franciaország, Németország, Magyarország, Olaszország, Hollandia, Lengyelország és Spanyolország. Az Olaszországban Pisa mellett működő Virgo detektor anyaintézete a European Gravitational Observatory (EGO), legnagyobb támogatói pedig a francia Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), az olasz Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) és a hollandiai Nikhef. Tagja még többek között a magyar MTA Wigner KKP. Részletes információk a Virgo Kollaborációról itt; valamint a Virgo projektről itt.

A KAGRA egy 3 km hosszú lézer-interferométer Kamiokában (Gifu prefektúra, Japán). Anyaintézete az Institute of Cosmic Ray Researches (ICRR), a Tokiói Egyetem, továbbá társintézetként a National Astronomical Observatori in Japan (NAOJ) és a High Energy Accelerator Research Organization (KEK). A KAGRA 2019-ben fejezte be az építkezést, ezután csatlakozott a LIGO és a Virgo nemzetközi gravitációs hullám hálózatához. A tényleges adatgyűjtés az O3b utolsó szakaszában, 2020 februárjában kezdődött. A KAGRA Scientific Congress 11 ország és régió intézeteinek több mint 470 tagjából áll. A kutatók listája elérhető itt; további információk a KAGRA honlapján.




Médiakapcsolat:

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

Raffai Péter
szenior tag, Eötvös Loránd Tudományegyetem, LIGO tagcsoport
peter.raffai@ttk.elte.hu

Szegedi Tudományegyetem, LIGO tagcsoport
Csoportvezető: Gergely Árpád László
Honlap ITT

Wigner Fizikai Kutatóközpont, Virgo tagcsoport
Csoportvezető: Vasúth Mátyás
Honlap ITT



A borítókép forrása: OzGrav, Swinburne University of Technology/Carl Knox


» Következő:  Információk

Tartalomjegyzék


→ Sajtóközlemény

Információk

Online videókurzus

Kérdések és válaszok (archív)


Multimédia



Animáció a GWTC-3 katalógusban szereplő kettős rendszerek keringéséről. (Forrás: LIGO-Virgo Collaboration/Zoheyr Doctor)


észlelések

A LIGO-Virgo-KAGRA által észlelt gravitációs hullámok forrásai az egyes megfigyelési időszakok során. Nagyításhoz kattints a képre! Nyomtatható poszter itt, világos verzió itt. (Forrás: OzGrav, Swinburne University of Technology/Carl Knox)


Csillagtemető

Az eddig megfigyelt neutroncsillagok és fekete lyukak tömegei. Nagyításhoz kattints a képre! (Forrás: LIGO-Virgo/Northwestern University/Aaron Geller)


Észlelések száma

Az LVK-észlelések számának növekedése a megfigyelési időszakok során. Az ábra a potenciálisan (pastro > 0,5 -nél nagyobb valószínűséggel) kompakt kettősök összeolvadásából származó jelek számát mutatja, a megfigyelés idejének és a megfigyelt térrész méretének függvényében. A térrész a detektorhálózat kettős neutroncsillagokra vett hatótávjára vonatkozik. Ennek megközelítőleg arányosnak kell lennie az észlelések számával (a kék egyenest kell követnie). A függőleges színes sávok az egyes megfigyelési időszakokat jelentik: O1, O2, O3a és O3b. Az észlelések számát a lépcsős fekete vonal jelzi. Nagyításhoz kattints a képre! (Forrás: Martin Hendry, Hannah Middleton)


Interaktív katalógus

Az interaktív katalógus kipróbálásához kattints a képre! (Forrás: Cardiff University, LIGO-Virgo/Chris North)


Black Hole Hunter

Próbáld ki a Black Hole Hunter játékkal, hogyan lehet megtalálni a jeleket a zajos adatok között! (Forrás: Cardiff University)