ZETApress

Egzotikus csillagok segítségével hallgatják a tudósok a világegyetem zenéjét. Asztrofizikusok kulcsfontosságú bizonyítékot találtak olyan gravitációs hullámokra, amelyek éves-évtizedes időskálán rezegnek.

A felfedezést galaktikus kozmikus órák nagy rádiótávcsövekkel történő megfigyelése tette lehetővé – derül ki a The Astrophysical Journal Letters tudományos folyóiratban ma megjelent cikkekből. A másfél évtizedes munkában az ELTE kutatói is részt vettek – tudatták sajtósaik.

Az elmúlt 15 évben a North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NANOGrav) Physics Frontiers Center galaktikus méretű gravitációshullám-detektort épített fel milliszekundumos pulzárokból a National Science Foundation (NSF) pénzügyi támogatásából működő rádiótávcsövek segítségével. A milliszekundumos pulzárok kialudt, nagy tömegű csillagok maradványai; tengelyük körül másodpercenként több százszor fordulnak körbe, így rádiósugaraik – a világítótornyok fényéhez hasonlóan – periodikusan fel-felvillanó impulzusokként észlelhetők. 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 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. A felfedezés abszolút új ablakot nyit a gravitációs hullámok univerzumára – mondja Stephen Taylor, a Vanderbilt Egyetem munkatársa, a kutatás egyik vezetője, az együttműködés jelenlegi elnöke.

Ellentétben a tünékeny, magas frekvenciájú gravitációs hullámokkal, amelyeket a LIGO (Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium) 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 egzotikus csillagról (ú.n. pulzárról) gyűjtöttek adatokat. Az ily módon létrejött detektort pulzáridőzítési hálózatnak nevezték el. – Az NSF NANOGrav csapata lényegében galaxis méretű detektort hozott létre, amely felfedi a világegyetemet átjáró gravitációs hullámokat. Ez világszínvonalú tudományos innováció – mondja Sethuraman Panchanathan, az NSF igazgatója.

A pulzárok szupernóva-robbanásban elpusztult hatalmas csillagok magjának ultrasűrű maradványai. Gyorsan forognak, miközben rádióhullám-sugarakkal pásztázzák a világűrt – így a Földről nézve úgy látjuk, mintha pulzálnának. A leggyorsabbak köztük az úgynevezett milliszekundumos pulzárok, ezek másodpercenként több százszor fordulnak körbe tengelyük körül. Mivel impulzusaik rendkívül szabályosak, precíz kozmikus időmérőként használhatjuk őket.

– A pulzárok valójában nagyon halvány rádióforrások, ezért a kísérlet végrehajtásához évente több ezer órányi megfigyelésre volt szükség a világ legnagyobb távcsöveivel. Ezt az eredményt az tette lehetővé, hogy a National Science Foundation (NSF) kitartóan támogatta ezeket a kivételesen érzékeny rádiótávcsöveket – mondja Maura McLaughlin, a Nyugat-Virginiai Egyetem munkatársa és a NANOGrav PFC társigazgatója.

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 összefüggenek, attól függően, hogy a két pulzár milyen távol látszik egymástól az égen. – Nagy számú pulzárt kellett megfigyelnünk ahhoz, hogy meglássuk azt, amit az általános relativitáselmélet által megjósolt korrelációs mintázat első jeleinek gondolunk – tette hozzá Xavier Siemens, az Oregon State University munkatársa, a NANOGrav PFC társigazgatója.

A NANOGrav-kutatás egyre több bizonyítékkal szolgál az éves-évtizedes időskálán rezgő gravitációs hullámok létezésére. Az adatok azt mutatják, hogy ezen hullámok egy lehetséges forrásai olyan kettős csillagrendszereknek, amelyeknek a 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.

Az ELTE részt vett a gravitációs hullámok első, 2015-ös, LIGO általi detektálásában, és hozzájárult a mostani NANOGrav eredményekhez is. Timothy Pennucci, a Frei Zsolt által vezetett és az ELTE Intézményi Kiválósági Programja által is támogatott ELKH-ELTE kutatócsoport posztdoktori kutatója az együttműködésben rádiótávcsöves megfigyeléseket végzett, elemzéseket készített, valamint időzítési modelleket dolgozott ki a NANOGrav több pulzárjához, és új eszközöket fejlesztett ki a pulzárok időzítésére. A NANOGrav pulzáridőzítési csoportjának vezetője volt 2020 és 2021 között, amikor a jelenlegi adatokat először összeállították. A NANOGrav által kiadott adatok egyik változata is az ő kutatásain alapul.

– Végtelenül izgalmas olyan munkában részt venni, ami mérföldkőnek számít a csillagászatban. Mindössze néhány alkalommal nyílt ablak a világegyetemre, amióta az ember az űrbe néz. Galilei fordított először optikai távcsövet az ég felé, egyértelműen a rádiócsillagászat volt a következő nagy lépés, és ez már kapcsolódik a mi munkánkhoz. A LIGO csaknem egy évtizeddel ezelőtt észlelt először meglehetősen nagy frekvenciájú gravitációs hullámokat az univerzumból, és most a NANOGravban mi mértünk először nagyon alacsony frekvenciájú gravitációs hullámokat – beszél tapasztalatáról a kutató.

Bécsy Bence Raffai Péterrel dolgozott a gravitációs hullámok észlelésének módszerein a LIGO Tudományos Együttműködés tagcsoportjában, a szintén Frei Zsolt által vezetett EGRG kutatócsoportban. A Montana Állami Egyetem doktoranduszaként, azóta pedig az Oregon Állami Egyetem posztdoktori kutatójaként több éves munkával járult hozzá gravitációshullám-adatelemzéshez. Vezetésével készült el az a kiegészítő tanulmány is, amelyben egyedi, nagyon nagy tömegű feketelyuk-kettősökből származó gravitációs hullámokat keresnek. Egy ilyen tanulmány döntő fontosságú a megfigyelt gravitációshullám-háttér eredetének megértéséhez.

– Nagyon örültem, hogy sikerült az egyedi feketelyuk-kettősök keresését a gravitációs háttér keresésével egy időben kivitelezni. Ez korábban nagyon számításigényes analízis volt, így általában évekkel később készült csak el. A probléma megoldására dolgoztunk ki témavezetőmmel, Neil Cornish-sal (Montana State University) egy új algoritmust, ami nagyjából 1%-ára csökkenti az analízis számításigényét. Emellett több olyan lehetőséget is megnyitott, amivel jobbá is tudtuk tenni az analízist, sőt a hatékonysággal a környezeti hatásokat is csökkentettük. Hihetetlenül izgalmas abba is belegondolni, hogy szemben a LIGO-Virgo-KAGRA detektorokkal, a pulzárokat nem mi építettük, nekünk csak a rádiótávcsöveket kellett megépítenünk, hogy a pulzárokat megfigyelhessük. Gyakorlatilag a világegyetem ajándéka, hogy ezek a csillagok rendelkezésre állnak. Arról nem is beszélve, hogy önmagukban is hihetetlen objektumok: tömegük nagyobb, mint a Nap tömege (sűrűségük olyan nagy, hogy egy teáskanálnyi neutroncsillag anyag olyan tömegű lenne, mint 900 gízai piramis!), míg méretük kisebb, mint Budapest. És másodpercenként több százszor fordulnak körbe tengelyük körül – mondja Bécsy Bence.

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 ma közzétett több tanulmánya is utal ugyanennek a jelnek a jelenlétére. Ezek a regionális csoportok az International Pulsar Timing Array konzorciumon keresztül már dolgoznak azon, hogy a jel jobb megismerése és az új típusú források keresése érdekében egyesítsék adataikat. – Közös adatbázisunk már jóval pontosabb lesz. Izgatottan várjuk, milyen titkokat fog feltárni a világegyetemről! – mondja Taylor.

A NANOGrav együttműködést a National Science Foundation Physics Frontiers Center 1430284 és 2020265 számú hozzájárulása, a Gordon és Betty Moore Alapítvány, az NSF AccelNet 2114721 sz. hozzájárulása, a Kanadai Természettudományi és Mérnöki Kutatótanács (NSERC) Discovery-díja és a Canadian Institute for Advanced Research (CIFAR) támogatja. Az Arecibo Obszervatórium a National Science Foundation létesítménye, amelyet együttműködési megállapodás (#AST-1744119) alapján a Közép-Floridai Egyetem (UCF) üzemeltet az Universidad Ana G. Méndez (UAGM) és a Yang Enterprises (YEI) Inc. szövetségében. A Green Bank Observatory és a National Radio Astronomy Observatory a National Science Foundation létesítményei, amelyeket együttműködési megállapodások alapján az Associated Universities, Inc. üzemeltet. A kutatásról a nanograv.org portálon minden információ megtalálható. A másfél évtizedes munka eredményeit ma 19 órakor élő adásban jelentik be.