Gravitációshullám-vadászok

Elvben már ma is léteznek alkalmas eszközök a gravitációs hullám közvetlen kimutatására, de ez a gyakorlatban még soha nem sikerült. A kutatók olyan földi és űrbéli berendezéseket terveznek, amelyekkel nagyobb eséllyel találhatnak bizonyítékot.

   A gravitációs hullám létét – a téridő görbületének hullámszerűen terjedő megváltozását – az Albert Einstein által megfogalmazott általános relativitáselmélet jósolta meg. Nem csak a klasszikus értelemben megfogalmazott tömegvonzás „mellékterméke” ez; minden gyorsuló tömegekből álló rendszer (mint amilyen egy kettős csillagrendszer vagy egy keringő bolygó) gravitációs hullámot kelt.
   A gravitációs hullám az atomok felületéről minden irányba gömbszerűen terjedő és interakcióba lépő hullámok együttese.A gravitációs hulláminterferenciák és gravitációs állóhullámok elméleti megfogalmazását és az általános tömegvonzásra vonatkoztatható megállapításait Erich von Steindl, magyar származású elméleti fizikus, filozófus írta le 2003-ban – olvasható a wikipedia.hu-n. Steindl tudományos munkáit számos kvantumfizikai elmélet támasztja alá, megközelítései ugyanakkor a kvantumfizika egyes alaptéziseivel részben ellenkeznek.

   Fénysebességgel terjed a zavar
  Az általános relativitáselmélet szerint a gravitációs tér változásai nem hatnak azonnal, hanemFénysebességgel terjed a zavar. Ez a jelenség az elektromágneses sugárzáshoz hasonló, amelyet gyorsuló, elektromosan töltött részecskék hoznak létre. A gravitációs hullámok transzverzális hullámok – a téridő a hullám terjedésére merőlegesen nyúlik és rövidül. Mivel a gravitációs kölcsönhatás nagyon gyenge és a Naprendszerünkben szokásos méretek esetén olyan kicsi, hogy eddig nem volt kimutatható.
   Intenzívebb és ezért megfigyelhető gravitációs hullámforrásokat szupernóva-robbanások során várunk, valamint olyan egymás körül keringő párok esetén, amelyek tagjai neutroncsillagok vagy fekete lyukak. Az ilyen források hatalmas távolsága miatt hatásuk a Földön rendkívül kicsi, és nehéz megkülönböztetni helyi jelenségektől, például a földrengéstől. Elvileg az ősrobbanás is gravitációs hullámforrásként szolgálna, amelynek azonban a frekvenciája és energiasűrűsége a világegyetem tágulása miatt roppant csekély lett.
   A gravitációs hullámok kimutatására az első biztató kísérletek az 1960-as évek óta folytak – tudtuk meg Frei Zsolttól, az ELTE Fizikai Intézetének asztrofizikusától. Joseph Weber (Marylandi Egyetem) vezetésével nagy, körülbelül másfél tonna tömegű fémhengerekkel, úgynevezett tömegrezonátorokkal dolgoztak, amelyeknek rezgésbe kellett volna jönniük a gravitációs hullámok hatására. Ez a kísérlet azonban nem sikerült.

   Megváltozó lézernyaláb
   Manapság elsősorban lézer-interferométereket használnak, hogy a rajtuk keresztülhaladó gravitációs hullámokat azonnal meg tudják figyelni. Az áthaladó gravitációs hullámoknak ugyanis meg kellene változtatniuk a lézernyalábot, ezt pedig egy ellenőrző lézernyalábbal mérni lehetne. A gravitációs hullámok közvetlen észleléséhez olyan fejlett méréstechnika szükséges, ami egészen minimális hosszváltozás (a proton méretének tízezrede!) kimutatására is képes. Ilyen típusú kísérletek – mint például a GEO600 (Németország), VIRGO (Olaszország), TAMA300 (Japán) és a LIGO (USA) – néhány éve folynak, de eddig ezekkel sem értek el eredményeket. Pedig hihetetlenül érzékeny és bonyolult berendezésekről van szó. A tudáskoncentráció részeként a LIGO és a GEO600 már korábban egyesült. A következő fejlemény ezen a téren: idén májustól a LIGO és a VIRGO cseréli ki mérési eredményeit.
   Számítások szerint a LIGO-val tíz százalék az esélye annak, hogy az elmúlt egy év mérési adatai között rábukkannak gravitációs hullámok nyomaira. A LIGO-t azonban másfél évre leállítják, átépítik és korszerűsítik – ez lesz az Enhanced LIGO. Ettől várják, hogy felfedezik majd az első ilyen hullámot. A további fejlesztéssel – ez lesz a 2015-re elkészülő Advanced LIGO – felturbózott eszköz ezerszer nagyobb térből érzékel majd jeleket. Hetente egy sikeres méréssel számolnak.

   Egyelőre tervezőasztalon
   Indirekt bizonyíték egyébként már volt. Russell Hulse és Joseph Taylor, a Princeton Egyetem fizikusai az 1974-ben felfedezett kettőspulzár sokéves megfigyelésével igazolta, hogy az egymás körül keringő két tömeg pályája az idő folyamán egyre csökkent, azaz energiát vesztett a rendszer. A megfigyelt energiaveszteség pontosan egyezik az elméletileg számolt értékkel, amelyet a gravitációs sugárzás veszteségére kaptak. Hulse-t és Taylort felfedezésükért 1993-ban fizikai Nobel-díjjal tüntették ki.
  Frei Zsolt szerint a tervezőasztalon több, űrbéli használatra alkalmas lézer-interferométer is szerepel. Ilyen a 2015-re elkészülő LISA, a 2020-ra megépülő ALIAS, a 2025-re tervezett BBG (Big Bang Observer), illetve a japán DECIGO nevű eszköz is. Ha egyszer közvetlen bizonyítékot találnának, az a relativitáselmélet egyik igazolása lehetne, ehhez azonban rendszeres mérésekre van szükség, amit alapvetően a LISA-tól várnak a kutatók.