A gravitációs hullámokról - A laborban mindig történik valami...
Április 15-én, pénteken Dr. Kiss László, a Magyar Tudományos Akadémia Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Konkoly Thege Miklós Csillagászati Intézet igazgatója tartott igazán élvezetes előadást a gravitációs hullámokról, melyekről az utóbbi két hónapban egyre többet hallani.
Hiszen körülbelül két hónapja detektáltak először közvetlenül gravitációs hullámokat. Kiss László humorosan kezdve előadását, megfogalmazta: „A feladatom mesélni érdekes dolgokról, aminek a csillagászathoz köze van.”
Ez tény, de az is egyértelmű, hogy szakmai jellegű célja az volt, hogy megértesse a hallgatósággal, miért is ekkora szenzáció a gravitációs hullámok észlelése. Ezután szavai szerint „rendkívül komoly” forrás, a Wikipédia néhány ábrája segítségével mutatta be az előadás lényegének megértéséhez szükséges alapokat.
Láttuk, hogy a teljes elektromágneses színképnek milyen kis része a láthatófény-tartomány, és hogy ez miért fontos, azt is elmondta: ugyanis a látható fényétől különböző (rövidebb vagy hosszabb) hullámhosszú fényt a Föld légköre egész egyszerűen nem enged át (kivételt képeznek persze a rádióhullámok, de azokat nyilván, hacsak nem UFO-inváziót várunk, nem tudjuk segítségül hívni).
Azonban mint az embernek a látás, a csillagászat számára is az elektromágneses fény jelenti a tapasztalatszerzés legfőbb forrását, a távcső feltalálása (vagy még régebb) óta. Tehát – mivel az elektromágneses sugárzás nagy része a Föld légköréig elérve leárnyékolódik - amit a fény megfigyelésével tudunk meg, az meglehetősen limitált. Emiatt az univerzum egyes részeiből a csillagászok egyszerűen nem tudnak elektromágneses sugárzást detektálni.
Példának okáért a Napban keletkező gamma-fotonoknak akár egymillió évbe telik csak az, amíg kiérnek a Nap felszínére, ezalatt pedig egyre gyengülnek, szóródnak, hozzánk (körülbelül még nyolc perc múlva) eljutva már csak az eredeti sugárzás töredékét észleljük.
A csillagászatot a gyermekkori gondolkodás-módjával találékonyan összekötve, Kiss László ezután annyit mondott: „Az eldugott sarkokban vannak a legértékesebb kincsek.” Ezeket az „eldugott sarkokat” pedig valami más módszerrel kell feltérképezniük a csillagászoknak.
Életünk során tapasztaltak kis százaléka származik a látástól különböző érzékelési módokból. S ugyanígy a csillagászat által megfigyeltek kis százaléka származik nem elektromágneses hullámokból. Néhány egyéb technika is létezik, például a neutrínó-obszervatórium (ezek például azonnal kiszabadulnak a Napból, de detektálásuk nehéz) vagy a légköri Cserenkov-sugárzás detektorok, ezek szerepe azonban inkább olyan, mint az embernek a szaglásé.
Hiszen körülbelül két hónapja detektáltak először közvetlenül gravitációs hullámokat. Kiss László humorosan kezdve előadását, megfogalmazta: „A feladatom mesélni érdekes dolgokról, aminek a csillagászathoz köze van.”Ez tény, de az is egyértelmű, hogy szakmai jellegű célja az volt, hogy megértesse a hallgatósággal, miért is ekkora szenzáció a gravitációs hullámok észlelése. Ezután szavai szerint „rendkívül komoly” forrás, a Wikipédia néhány ábrája segítségével mutatta be az előadás lényegének megértéséhez szükséges alapokat.
Láttuk, hogy a teljes elektromágneses színképnek milyen kis része a láthatófény-tartomány, és hogy ez miért fontos, azt is elmondta: ugyanis a látható fényétől különböző (rövidebb vagy hosszabb) hullámhosszú fényt a Föld légköre egész egyszerűen nem enged át (kivételt képeznek persze a rádióhullámok, de azokat nyilván, hacsak nem UFO-inváziót várunk, nem tudjuk segítségül hívni).
Azonban mint az embernek a látás, a csillagászat számára is az elektromágneses fény jelenti a tapasztalatszerzés legfőbb forrását, a távcső feltalálása (vagy még régebb) óta. Tehát – mivel az elektromágneses sugárzás nagy része a Föld légköréig elérve leárnyékolódik - amit a fény megfigyelésével tudunk meg, az meglehetősen limitált. Emiatt az univerzum egyes részeiből a csillagászok egyszerűen nem tudnak elektromágneses sugárzást detektálni.
Példának okáért a Napban keletkező gamma-fotonoknak akár egymillió évbe telik csak az, amíg kiérnek a Nap felszínére, ezalatt pedig egyre gyengülnek, szóródnak, hozzánk (körülbelül még nyolc perc múlva) eljutva már csak az eredeti sugárzás töredékét észleljük.
Életünk során tapasztaltak kis százaléka származik a látástól különböző érzékelési módokból. S ugyanígy a csillagászat által megfigyeltek kis százaléka származik nem elektromágneses hullámokból. Néhány egyéb technika is létezik, például a neutrínó-obszervatórium (ezek például azonnal kiszabadulnak a Napból, de detektálásuk nehéz) vagy a légköri Cserenkov-sugárzás detektorok, ezek szerepe azonban inkább olyan, mint az embernek a szaglásé.
A gravitációs hullámok ezeknél fontosabb szerepet tölthetnek be, akár a „hallásét”. Ezért van tehát szükség arra, hogy lehessen detektálni a gravitációs hullámokat. Korábban már ez sikerült, de eddig „csak” közvetett módon. A mostani, 2016-os eredmény újdonsága az volt, hogy közvetlenül sikerült detektálni őket.
„Kulcsszó az általános relativitáselmélet.” Az elmélet szerint a gravitáció a tér görbületének következménye. Az egyenlet baloldala geometriailag, a jobboldala tömeg-energia szempontból jellemzi az elméletet. Így a képlet a tér görbülését írja le, amelyet legegyszerűbben úgy tudunk elképzelni, hogy egy repülő útvonalára gondolunk a geoid alakú Föld légkörében.
A tér görbülését a nagy tömegű testek hozzák létre. Ha pedig ezek az égitestek energiát vesztenek életük során, az energiaveszteség miatt egyre gyorsulva közelednek egymáshoz. Az „elvesztett” energiát szállítják el a gravitációs hullámok. Ezek azonban nagyon kicsi effektusok, amelyek felfogásához érzékeny műszerekre lenne szükség. Leginkább kifeszített gumilepedővel lehetne őket szemléltetni, persze más arányokkal.
Ez néhányszáz évvel ezelőtt nem adatott meg az embereknek, de mégis például Eddingtonnak 1919-ben sikerült közvetett módon kimutatni a gravitációs hullámokat. Ebben az évben ugyanis teljes napfogyatkozás volt, emiatt képes volt megfigyelni azt, ahogy a Nap hogyan változtatja meg az őt körülvevő csillagok helyzetét, gravitációs ereje által. Később egy neutroncsillag gravitációs hullámait is sikerült kimutatni (Hulse és Taylor), amely időközönként rádióhullámokat küld a Föld felé.
Ebből a közvetett érzékelésből próbálnak napjainkban az ezzel foglalkozó csillagászok közvetlenre „váltani”. Lézerinterferométeres kísérletekkel próbálták kimutatni a gravitációs hullámokat. Az Advanced LIGO program keretében került sor két, ilyen elven működő műszer telepítésébe az Egyesült Államokban.
A „műszer” valójában két, négy kilométer hosszú acélcső, melyben lévő vákuumban futnak a lézernyalábok. Ezek a nyalábok tükrökről visszaverődve újbóli találkozásukkor kioltják egymást. Amint azonban az egyik kar megrövidül, a kioltás megszűnik, és ezt a változást észleli a detektor. (Hogy mitől lesz rövidebb az egyik cső? A Földet érő gravitációs hullámok miatt!) Tulajdonképpen ez a torzulás nagyon kicsi, egy proton átmérőjének a tízezred része volt.
Hogy egy ekkora elmozdulást észlelt egy műszer, az nem győzne meg senkit. De nem egy, hanem két helyen (Hanfordban és Livinstonban is) ugyanakkor, ugyanakkora változást észlelt a két detektor.
Mi mutatná egyértelműbben a gravitációs hullámok létezését? És vajon mi történhetett, ami ezt okozta?
Mi mutatná egyértelműbben a gravitációs hullámok létezését? És vajon mi történhetett, ami ezt okozta?
Csillagászok vizsgálata szerint két (egy 29 és 36 Naptömegnyi) feketelyuk egyesülése. Ennek során 65 (29+36) Naptömeg helyett 62 Naptömegnyi feketelyuk keletkezett, és ez a maradék 3 Naptömegnyi (a Nap tömege 2*1030 kg) energia volt az, amit gravitációs hullámok formájában sugárzott ki a feketelyukak gyorsuló közeledése és összeolvadása során. (Egy ilyen hatalmas enegiájú folyamat mindössze egy tízezred protonátmérőnyi változást hozott a detektorok jelében!) Érdekesség, hogy ez a teljes folyamat 0,2 másodperc alatt ment végbe.
Ez az egyetlen megfigyelés egyszerre három fontos felfedezést jelentett: egyrészt a gravitációs hullámok létezését támasztotta alá, másrészt a kettős feketelyukakét, harmadrészt pedig ez volt az eddig ismert legnagyobb energiájú folyamat. A jelek eredete azonban ismeretlen. Többé-kevésbé sikerült behatárolni, hogy honnan érkezhetett, de ez a hatalmas távolság miatt óriási területet foglal magában.
Azonban terveznek Olaszországba is telepíteni egy ilyen detektort, amely ha elkészül, egy ilyen jel után a helyszínt százhuszadszor kisebb területen kell keresni az égbolton. Így lehetőség nyílik ezeket a jelenségeket űrtávcsövekkel megfigyelni. Kiss László több videót mutatott be, amelyek háromdimenziósan modellezték a végbement folyamatot, persze nagymértékben lelassítva.
Ezek után, végezetül arra is kitért, hogy miért is fontos ez ennyire a csillagászoknak? Négy ok miatt:
- Első, hogy ténylegesen alátámasztotta Einstein igazát. Ez rendben is van, de nem tudunk vele sokat kezdeni.
- A második ok, hogy kimutatták, hogy a tér görbülete tényleg képes hullámként tovaterjedni, tehát a gravitációs hullám leárnyékolhatatlan. Ez pedig újabb lehetőségeket nyit a csillagászati megfigyelések számára.
- Ezzel a harmadik indokhoz is elérkeztünk; megszületett a feketelyuk-asztrofizika, hiszen az emberiség már képes detektálni őket!
- Végül pedig bár eszméletlenül kicsit effektus, a világunk legalapvetőbb tulajdonságairól árulkodik. Annak ellenére, hogy a gravitációs hullámok természetét még így sem értik teljesen, lehetségessé válhat a gravitációs hullámok általi kommunikáció.
A következő évek feladata még több ilyen jelenség detektálása, tovább javuló érzékeny műszerekkel akár hetente. Az előadást hallgatni egyszerre volt érdekes, izgalmas és hátborzongató.
Érdekes, mert a csillagászat valóban sokak számára vonzó téma, és - nagyon általánosan megfogalmazva - az előadás által többet megtudhattunk a világegyetemről. Minden bizonnyal csak nagyon kevesen hallottak eddig a gravitációs hullámokról, ám az előadás még a témával abszolút nem foglalkozóknak is élvezhető, felfogható volt. Kiss László elképesztő előadói képességével és humorával pedig még az esetlegesen unatkozók figyelmét is felkeltette.
Izgalmas, mert a felfedezés hátterét megismerve rájöhettünk, hogy valóban igazán nagy lépés volt ez a csillagászat számára, sőt nekünk, a világunkat megismerni vágyók számára is.
Hátborzongató pedig… Nos, számomra az volt, minden szempontból. A jelenséget ép ésszel felfogni talán nem is lehet teljesen. Az, hogy a testek gyorsuláskor energiát sugároznak, még alapvető fizikai ismereteinkkel is érthető. Az is rendben van, hogy ez az energia fog gravitációs hullámok formájában tovaterjedni. De hogy a nagy tömegű testek meghajlítják a teret… ez, bár szemléltették, nem kézzelfogható. Olyan nagyságokba megyünk bele, amelyek az ember számára felfoghatatlanok.
Érdekes, mert a csillagászat valóban sokak számára vonzó téma, és - nagyon általánosan megfogalmazva - az előadás által többet megtudhattunk a világegyetemről. Minden bizonnyal csak nagyon kevesen hallottak eddig a gravitációs hullámokról, ám az előadás még a témával abszolút nem foglalkozóknak is élvezhető, felfogható volt. Kiss László elképesztő előadói képességével és humorával pedig még az esetlegesen unatkozók figyelmét is felkeltette.
Izgalmas, mert a felfedezés hátterét megismerve rájöhettünk, hogy valóban igazán nagy lépés volt ez a csillagászat számára, sőt nekünk, a világunkat megismerni vágyók számára is.
Hátborzongató pedig… Nos, számomra az volt, minden szempontból. A jelenséget ép ésszel felfogni talán nem is lehet teljesen. Az, hogy a testek gyorsuláskor energiát sugároznak, még alapvető fizikai ismereteinkkel is érthető. Az is rendben van, hogy ez az energia fog gravitációs hullámok formájában tovaterjedni. De hogy a nagy tömegű testek meghajlítják a teret… ez, bár szemléltették, nem kézzelfogható. Olyan nagyságokba megyünk bele, amelyek az ember számára felfoghatatlanok.
És ehhez jön hozzá a feketelyukak összeolvadása. Ez volt az a pont, amibe beleborzongtam. Mi az a feketelyuk? Miből áll? Hova vezet? Kérdések százai kavarogtak ezzel kapcsolatban eddig is a fejemben, ám az előadást hallgatva újabbak fogalmazódtak meg.
Hogyan képes égitestek módjára mozogni, egy másodperc töredéke alatt „keringőt járni” egy másikkal, majd egybeolvadni vele? Mi okozza mindezt? És vajon mikor kapok ezekre választ?
Hatalmas motivációt kaptam arra, hogy kicsit jobban beleássam magam a témába (bár végzősként, érettségi előtt talán még nem kéne túlzásba vinni…). Számomra a csillagászat ezen része olyan távlatokba megy, amely egyszerűen felfoghatatlan. Talán csak én érzem így, talán mások is, akik egy kicsit belegondolnak.
Hogyan képes égitestek módjára mozogni, egy másodperc töredéke alatt „keringőt járni” egy másikkal, majd egybeolvadni vele? Mi okozza mindezt? És vajon mikor kapok ezekre választ?
Hatalmas motivációt kaptam arra, hogy kicsit jobban beleássam magam a témába (bár végzősként, érettségi előtt talán még nem kéne túlzásba vinni…). Számomra a csillagászat ezen része olyan távlatokba megy, amely egyszerűen felfoghatatlan. Talán csak én érzem így, talán mások is, akik egy kicsit belegondolnak.
Ami tény, hogy nagyon élvezetes előadásban volt részünk, és köszönjük Kiss Lászlónak, hogy iskolánkba fáradt!
Sándor Lilla 12/C
A képek forrása: GIPHY
A képek forrása: GIPHY
Kapcsolódó linkek:
Valóság a gravitációs hullám, bebizonyosodott Einstein elmélete és Gravitacioshullam.hu
Diákélet
Eseménynaptár
Hasznos linkek
