Gravitációshullám-vadászok

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, hanem fénysebességgel 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 a frekvenciája és energiasűrűsége azonban 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.

Ötvös Zoltán