Újfajta gravitációs hullámot találtak

Több nemzetközi konzorcium asztrofizikusai is egyszerre tették közzé eredményeiket, amelyek szerint újfajta gravitációs hullám jeleire bukkantak az univerzumban: olyan nagyon alacsony frekvenciájú jeleket észleltek, amelyekről azt feltételezik, hogy a galaxisunkon áthaladó, finoman rezgő gravitációs hullámokból származnak, ezek lehetséges forrásai pedig a szupermasszív fekete lyukak lehetnek.

Többek között az észak-amerikai Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) nemzetközi konzorcium asztrofizikusai is megtalálták a bizonyítékot a kozmoszt kitöltő, hosszú hullámhosszú gravitációs hullámok hátterére. Tizenöt év adatait elemezve úgy gondolják, hogy ezeket a hullámokat a Nap tömegének akár több milliárdszorosát kitevő szupermasszív fekete lyukak hozták létre, amelyek egymás körül keringenek, mielőtt egyesülnének. A nemzetközi konzorcium, amelynek célja a gravitációs hullámok észlelése milliszekundumos pulzárok rendszeres megfigyelésével, csütörtökön számolt be eredményeiről a The Astrophysical Journal Letters című tudományos folyóiratban. A másfél évtizedes munkában az Eötvös Loránd Tudományegyetem (ELTE) kutatói is részt vettek.

A fekete lyukak és más nagy tömegű objektumok térben való mozgása hullámokat hozhat létre az univerzumban, amelyeket gravitációs hullámoknak neveznek. A pulzárok szupernóva-robbanásban elpusztult hatalmas csillagok magjának ultrasűrű maradványai. Gyorsan forognak, miközben rádióhullám-sugarakkal pásztázzák a világűrt – így a Földről nézve úgy látszanak, mintha pulzálnának. A leggyorsabbak köztük az úgynevezett milliszekundumos pulzárok, ezek másodpercenként több százszor fordulnak körbe tengelyük körül, így rádiósugaraik – a világítótornyok fényéhez hasonlóan – periodikusan fel-felvillanó impulzusokként észlelhetők. Mivel impulzusaik rendkívül szabályosak, precíz kozmikus időmérőként használhatók.

A gravitációs hullámok a teret és az időt jellegzetes mintázat szerint nyújtják és szorítják össze, ami az impulzusok közötti időközökben olyan változásokat okoz, amelyek a megfigyelt pulzárok mindegyikénél korrelálnak. Ezek a korrelált változások jelentik azt a sajátos jelet, amelynek észlelésén a NANOGrav dolgozik. A közlemény szerint a NANOGrav korábban már felfedezett egy rejtélyes időzítési jelet, amely az összes vizsgált pulzárnál megfigyelhető volt. Ez azonban még nem volt elég erős ahhoz, hogy a tudósok az eredetét is megállapíthassák. A másfél évtizedes gyűjtőmunka eredményeképpen most azt feltételezik, hogy ez a jel a galaxisunkon áthaladó, finoman rezgő gravitációs hullámokból származik.

„Ez kulcsfontosságú bizonyíték a nagyon alacsony frekvenciájú gravitációs hullámokra” – idézi a közlemény Stephen Taylort, a Vanderbilt Egyetem munkatársát, a kutatás egyik vezetőjét, az együttműködés jelenlegi elnökét, aki szerint a felfedezés abszolút új ablakot nyit a gravitációs hullámok univerzumára. Ellentétben a tünékeny, magas frekvenciájú gravitációs hullámokkal, amelyeket a Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium (LIGO) és a hozzá hasonló földi eszközök észleltek, ezt a tartós, alacsony frekvenciájú jelet csak a Földnél sokkal nagyobb detektorral lehet érzékelni. Ezért a csillagászok galaxisunk egy részét hatalmas gravitációshullám-antennává „alakították át”, amihez 68 pulzárról gyűjtöttek adatokat. Az ily módon létrejött detektort pulzáridőzítési hálózatnak nevezték el.

Albert Einstein általános relativitáselmélete pontosan megjósolja, hogy a gravitációs hullámok hogyan hatnak a pulzárok jeleire. A tér szövetének nyújtásával és összenyomásával a gravitációs hullámok kicsi, de kiszámítható módon befolyásolják az impulzusok ütemét. Egyes impulzusok a vártnál korábban, míg mások később érkeznek. Két különböző pulzárra mérhető eltolódások bizonyos mértékben összefüggnek, attól függően, hogy a két pulzár milyen távol látszik egymástól az égen. A NANOGrav-kutatás egyre több bizonyítékkal szolgál az éves-évtizedes időskálán rezgő gravitációs hullámok létezésére. Az adatok azt mutatják, hogy ezen hullámok lehetséges forrásai olyan kettős csillagrendszerek, amelyeknek tagjai a világegyetem legnagyobb tömegű fekete lyukai, tömegük több milliárdszorosa a Napénak, méretük pedig meghaladja a Nap és a Föld közötti távolságot. További kutatásuk segíthet megérteni a távoli galaxisok közepén összeütköző óriási fekete lyukakat és talán más egzotikus, alacsony frekvenciás gravitációshullám-forrásokat is.

A gravitációs hullámok első, 2015-ös, LIGO általi detektálásában az ELTE is részt vett, és hozzájárult a mostani NANOGrav eredményekhez is. Az együttműködésben Timothy Pennucci, a Frei Zsolt által vezetett ELKH-ELTE kutatócsoport posztdoktori kutatója rádiótávcsöves megfigyeléseket végzett, elemzéseket készített, valamint időzítési modelleket dolgozott ki a NANOGrav több pulzárjához, és új eszközöket fejlesztett ki a pulzárok időzítésére. Bécsy Bence Raffai Péterrel és Frei-jel korábban a LIGO Tudományos Együttműködés tagcsoportjában dolgozott az ELTE-n, most posztdoktori kutatóként az oregoni egyetemen a NANOGrav résztvevője és az új tanulmány társszerzője. Mint a közleményben írták, asztrofizikusok egész hada keresi ezt a gravitációshullám-jelet szerte a világon. Az ausztrál Parkes Pulsar Timing Array, a kínai Chinese Pulsar Timing Array, az európai European Pulsar Timing Array és az indiai Indian Pulsar Timing Array együttműködések több tanulmánya is utal ugyanennek a jelnek a jelenlétére.