Gravitációs hullámok
A csillagászat ámulatba ejtő sajátossága, hogy megfoghatatlan és felfoghatatlanul távoli égitesteket mutat be, és égi eseményeket magyaráz meg furfangos mérések által. Mindannyian rácsodálkozunk, ha a sötétnek tűnő égbolt egy szegletébe belenagyítva egy halvány foltot, még jobban ránézve rögtön egy galaxist fedezhetünk fel. A gravitációs hullámok természete is hasonlóan különleges.
2016. február 11-e fontos dátum a csillagászatban. Ezen a napon jelentette be a pillanat jelentőségét átérezve David Reitze, a kaliforniai Műszaki Egyetemen (ismertebb nevén: Caltech) működő LIGO (vagyis Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ügyvezető igazgatója, hogy felfedezték a gravitációs hullámokat.
A bejelentés előtt bő fél évvel, 2015 szeptemberében kaptak el a tudósok egy eseményt, amely valahol, egymilliárd fényévnyi távolságra történt tőlünk. Két hatalmas tömegű, a Napunknál 29-szer, illetve 36-szor nehezebb fekete lyuk közeledett egymáshoz, majd ütközött össze, és ez olyannyira nagy kavarodást okozott, hogy még a teret és az időt is megbolygatta és gravitációs hullámokat keltett. A tovaterjedő hullámok elérték a Földünket is, a térnek a hullámzását a LIGO műszerrel érzékelni tudták a tudósok. Mennyire nyúlt meg a tér? Ez olyan volt, mint a földrengés? Mi egyáltalán a LIGO?
A Földön igazából egy parányi változást lehetett észlelni – detektorokkal persze. Senki ne gondoljon a földrengésekhez hasonló földhullámzásra, amit az emberi szervezet önmagában észlelhetett volna, és még érezhetően fiatalabbak vagy idősebbek sem lettünk a téridő változása következtében. A detektoroknak mindössze a méter millimod részének millimod részének millimod része méretű változást kellett észlelniük. A tizedesvessző után tizenhét(!) nullát kellene írnunk, majd jöhetne az egyes. Ilyen kicsi változás volt méterben kifejezve, ez még az atomjainknál is jóval kisebb, a protonnál is ezerszer kisebb. De hogyan lehetséges ennyire kis távolságot megbízhatóan kimutatni? Leleménnyel, ahogyan a bevezetőben is utaltam rá. Gravitációs hullámok érték már bizonyára a Földet, mégsem gondolt ezekre senki egészen Einsteinig. Einstein volt az első, szinte pontosan száz évvel a bizonyítás előtt, aki felvetette, hogy léteznie kell ilyen téridőben terjedő jelenségnek. Einsteinnek igaza lett ebben is, léteznek gravitációs hullámok! A detekció pedig új fejezetet nyitott a csillagászat történetében.
A LIGO műszer – egyszerűsített – megértéséhez érdemes visszaugranunk a fény természetének vizsgálatához a 19. század végére. Einstein gyermekkorában a vezető fizikusokat nagyban foglalkoztatta a fény vizsgálata.
A fény sebességét is meg kellett volna határozni az elméletek igazolásához. Egy gyors járműről, amely a fényforrással szemben halad, gyorsabbnak kellene mérnünk a fény sebességét, mintha ellenkező irányban haladnánk – feltéve, hogy a fényre is érvényesek az akkortájt gondolt klasszikus mechanikai szabályok. Olyan eszközt, amely sebessége érdemben megközelíti a fényét, és így kimutathatóvá tenné a vázolt eltérést, nem tudtak építeni, de nem is kellett. Hiszen itt van a Föld. Bolygónk a fény sebességének egy század százalékával suhan, elég gyors a feladathoz.
Akkoriban már tudták, hogy a fénysugarak ilyenkor egy interferenciaképet (az interferencia két vagy több hullám találkozásakor létrejövő jelenség, amely során a hullámok erősíthetik vagy gyengíthetik egymást, a fény esetén színes mintázatokat hozva létre – a szerk. megj.) hoznak létre, azaz periodikusan erősitik és kioltják egymást. Ha megváltozik valamelyik irányban a Föld sebessége következtében a fény sebessége, az interferenciamintázatnak változnia kell. De akárhányszor ismételték a kísérletet, az interferenciamintázat mindig változatlan maradt. Vagyis a fény sebessége állandó.
A gravitációs hullámokat is hasonló logikával, a lézerfény kettéosztása utáni interferenciával detektálták. Különbség, hogy itt nem a fénysebesség változására számítottak, hanem az útvonal változására – a tér hullámzása miatt. És azon a bizonyos szeptemberi napon interferenciaváltozást detektáltak. Ez volt a hatalmas felfedezés! A fénysebesség mérésére kitalált néhány méteres interferométerhez képest most 4 kilométeres (!) karokat építettek, a tükröket úgy állították be, hogy a fény összesen ezer kilométeres távot tegyen meg. Ekkora úthossz esetén már megbízhatóan detektálható volt a tér pici, az atom méreténél is kisebb kilengése. A gravitációs hullám a derékszögben felépített karokra másképpen hatott, ezért jött létre a várva várt interferenciaváltozás. Ráadásul rögtön két helyen, mert az USA Washington és Louisiana államaiban építettek LIGO detektort. A párhuzamosan végzett két mérés megadta a gravitációs hullám terjedését és irányát, azonosíthatták azok forrását is.
A gravitációs hullámok detektálási képességével az emberiség kapott egy új módszert a fényjelekre épülő csillagkutatás mellé. A gravitációs hullámok, jelen tudásunk szerint, átlátnak az óriási tömegű égitesteken is, és lehet, hogy segítségükkel rájövünk majd a sötét energia mibenlétére is. A csillagászatban mindenesetre új távlatokat nyit, de mi haszna belőle a hétköznapi embernek? A detektorok felépítése óriási precizitást igényel, ezeket a tapasztalatokat az élet más területein is kamatoztathatjuk. Az extrém nagy gravitációs terek vizsgálata olyan lehetőségeket rejt, amelyeket még csak kapiskálunk. Sőt, ki tudja, egyszer talán valaki kimutatja, hogy egy távoli csillagütközés keltette téridő hullámok hogyan szinkronizálják a sejtjeink molekuláit szerte az univerzumban – és még a csillagjóslásnak is lenne így tudományos alapja!
