Frei Zsolt: 12-13 milliárd fényévre található galaxisokat vagyunk képesek kutatni

Az ELTE Természettudományi Karának folyosóján hatalmas poszter jelzi: 2015-ben magyar kutatók közreműködésével sikerült kimutatni, hogy léteznek gravitációs hullámok. Itt fogad Frei Zsolt. A kutató amellett, hogy végtelenül távoli dolgokkal foglalkozik – bár ez a meghatározás csalóka, hiszen tudóstársaival arra a kérdésre keresi a választ, amire minden ember: hol a helyünk a világban, és egyáltalán milyen ez a világ, amely körülvesz bennünket –, szabadidejében bútorokat készít. Ahogy fogalmaz, szüksége van valami kézzelfoghatóra is az életében, nehezen viseli el, hogy egész nap adatokat elemez. Így vagy úszik, vagy biciklizik egyet, vagy a faműhelyében gyalul. A fizikai tevékenységek mindig meghatározók voltak az életében, sőt a versenyszellem is, hiszen fiatal korában dzsúdózott. Abban mindenképpen párhuzamot lehet vonni ifjúkori és mostani énje között, hogy az első szeretne lenni: a tatamin egyértelmű a győztes, a tudomány világában pedig olyan pályát vállalt, amelynek közelében történnek a tudományos áttörések, a felfedezések.

Az viszont nem mondható el, hogy a kézzelfogható dolgok birodalmában ne érdekelné a végtelen. Szabadidejében egy vitorlázórepülő replikáját építik. Az 1936-os berlini olimpián bemutatósport volt a vitorlázórepülés. A megmérettetésre Rotter Lajos műegyetemi mérnök megtervezte és fél év alatt felépítették a Nemere nevű vitorlázógépet – amely egy székelyföldi szélről kapta a nevét –, majd Berlin és Kiel között megnyerte a versenyszámot. Frei Zsolt többedmagával megszerezte Rotter Lajos leszármazottjától a tervrajzokat, az asztrofizikus modern eszközökkel újratervezte, jelenleg pedig Székesfehérváron épül a replika, ahol annak idején az eredeti is.

De mik azok a gravitációs hullámok?

2015-ben egy százéves tételt sikerült bizonyítani: Albert Einstein relativitáselméletének a gravitációs hullámokra vonatkozó részét. Az észlelések túlnyomó többsége az extragalaktikus asztrofizika felségterületéhez tartozik, és máris adja magát a kérdés, hogy mi fán terem ez a tudományág. Mi a különbség az asztrofizika és a csillagászat között?

„Már az ókori görögök is nézegették a csillagokat, szabad szemmel, Galilei az 1600-as évek elején fordította először távcsövét az égre, így a csillagászat égtérképezés volt. Hol milyen csillagokat látok, hogyan mozognak a bolygók, milyen más égitestek léteznek. Egy francia csillagász, Charles Messier kezdett először kiterjedt objektumokat látni a pontszerű és fényes csillagok mellett. Katalogizálta az objektumokat, és komoly tudományos vita kerekedett az 1920-as évekre, hogy a ködfoltok, a nebulák vajon közeli gázfoltok vagy távoli univerzumszigetek – ekkor még nem létezett a galaxis fogalma. 1923-ban Edwin Hubble mérései alapján eldőlt, hogy az Androméda nem egy pici gázfelhő, hanem egy univerzumsziget, amelyben 10¹² darab csillag van. Ekkor derült ki, hogy vannak galaxisok” – ismerteti a tudományterület hajnalát Frei Zsolt. A huszadik század elejére sikerült annyira feltérképezni a magfizikát, hogy kiderült, a csillagok belsejében hidrogén-hélium fúzió termeli az energiát. Frei Zsolt szerint az asztrofizika nem az univerzum feltérképezése, hanem az abban zajló folyamatok megértése. „Például hogy hogyan termel energiát egy csillag. Vagy hogy milyen dinamikai instabilitások vezetnek egy spirálgalaxis korongjában ahhoz, hogy spirálkarok alakuljanak ki. Ez már fizikai alapon nyugvó csillagászat” – teszi hozzá. Az extragalaktikus meghatározás pedig a Tejútrendszeren kívüliségre vonatkozik.

Az extragalaktikus asztrofizika nem születhetett volna meg a távcsövek fejlődése nélkül. Galilei tíz centiméter nagyságrendű lencsés távcsövével a Naprendszer objektumait tudta vizsgálni. Felfedezte a Jupiter négy legnagyobb holdját, látta a Vénusz fázisait, és hogy a Szaturnusznak gyűrűi vannak. Idővel nőtt a műszerek átmérője, azaz a fénygyűjtő képességük. Ma már tízméteres tükrös távcsövek is működnek, ezeknek akkora a fénygyűjtő képessége, hogy iszonyatosan halvány objektumok fényeit is össze tudják gyűjteni. Minél távolabb van valami, annál halványabb. Vagyis a technológiai fejlődésnek hála egyre távolibb objektumok váltak megfigyelhetővé. A csillagászat fejlődése is ehhez hasonlító ívet ír le, először a Naprendszerrel foglalkoztak a csillagászok, aztán közeli csillagokkal, majd a galaxison belül kutakodtak. Mára pedig az extragalaktikus asztrofizika került előtérbe. Jelenleg a 14 milliárd éves univerzum idejének kilencven százalékát vissza tudják követni a tudósok.

„Jelenleg 12-13 milliárd fényévre található galaxisokat vagyunk képesek kutatni, illetve az ősrobbanás után nem sokkal létező fizikai állapotokat. Olyanokét, amik fénye 13 milliárd évet utazott. Ezért azt gondolom, hogy az extragalaktikus asztrofizika tartozik a kutatás élvonalába. Ez a legérdekesebb dolog, amivel kutató foglalkozhat” – állítja Frei Zsolt.

Nem csak az a tény izgalmas, hogy tizenhárommilliárd évet visszatekinthetünk az időben. Fel lehet fejteni a világegyetem fejlődésének folyamatát. „Követni tudom, időben mi történt az univerzumban. A kozmológia definíció szerint az univerzum keletkezésének és fejlődésének tudománya. Hogyan fejlődött, a kezdetekben mennyire homogén, egyenletes eloszlású por és gáz volt a világegyetem. Hogy az ősrobbanás után hogyan rendeződött össze csillagokká, galaxisokká, a galaxisok hogyan alkottak galaxishalmazokat és szuperhalmazokat. Mindez csak úgy tanulmányozható, ha visszafelé nézünk az időben” – foglalja össze.

Valami nem stimmelt a Merkúrral

Albert Einstein a fizikában szokatlan módon, gondolatkísérletek nyomán publikálta általános relativitáselméletét 1915-ben. Leírta, hogyan kellene működnie az univerzumnak.

„Szükség volt ezekre a gondolatkísérletekre, mert akkorra problémák mutatkoztak a newtoni fizika predikcióival – mutat rá Frei Zsolt. – Például eltérések mutatkoztak a Merkúr tényleges és kiszámított pályája között. Térben elfordult, ellipszis alakú pályán kering, és nem stabilan áll, ahogy azt a newtoni fizika előírná. Elkezdtek gondolkodni egy újfajta fizikán, egy részletesebb és pontosabb megoldáson.”

Olyan új jelenségek leírása született meg, amik korábban elképzelhetetlenek voltak: például a fekete lyukaké. Einstein egyenletrendszere megmagyarázta, miért úgy kering a Merkúr a Nap körül, ahogy a megfigyelések mutatják: ott már annyira erős a Nap tömegvonzása, hogy a bolygó pályája eltér a newtoni fizikából levezethető ívtől. A relativitáselmélet néhány elemét már a huszadik század elején bizonyítani tudták, sok jelenséget viszont csak előre jelezni lehetett, hiszen nem álltak rendelkezésre olyan műszerek, amelyekkel igazolható lett volna. Öt évtizednek kellett eltelnie, hogy indirekt módon bizonyítsák a fekete lyukak létezését. Olyan objektumokról van szó, amelyekbe rengeteg anyag nagyon pici tartományban töpörödik össze, gravitációja erejénél pedig a fény sem tudja elhagyni – emiatt nevezzük fekete lyukaknak. Ennélfogva láthatatlanok, nem hagyják el a fotonok, csak annyit érzékeltek belőle, hogy a feltételezett környékükön furcsa fizikai jelenségek történnek, emiatt kell lennie ott egy láthatatlan, nagy tömegű vonzó centrumnak. Úgy sikerült felfedezni, hogy nagyon fényes objektumokat láttak, ami csak úgy lehetséges, hogy a fekete lyukba hullik a körülötte lévő gáz, ami iszonyatosan nagy energiát veszít, emiatt nagyon fényesen sugároz.

A gravitációs hullám egy ugyanilyen megoldása az einsteini egyenleteknek. „A teret tudományos ismeretterjesztő filmekben vagy szaklapokban gumihálóként szokták jellemezni, beleteszik a tömegpontokat, és ahogy lesüllyed ez a háló, látjuk, hogyan görbül a tér egyes tömegpontok között. Ha ezek az objektumok gyorsulva mozognak, akkor hullámok keletkeznek. Az egyenletesen mozgó vagy álló tömegek nem generálnak ilyen hullámokat, csak a gyorsuló tömegek, köztük a keringő objektumok. A gyorsuló mozgás iszonyatosan pici mértékben megrezegteti a tér hálóját” – foglalja össze Frei Zsolt.

A relativitáselmélet születésétől száz évnek kellett eltelnie, hogy érzékelni tudják a gravitációs hullámokat. Einstein ugyan bebizonyította, hogy léteznek, de úgy vélte, annyira picik, hogy az emberiség soha nem fogja tudni megmérni őket. Korának technikájával mindez valóban elképzelhetetlen volt. Csak az összehasonlítás kedvéért: ha egy gravitációs hullám elhalad a Naprendszer környékén, akkor a Nap és a legközelebbi csillag, a Proxima Centauri közötti négy fényévnyi távolság egyetlen hajszál méretével változik. Egy méter távolság ilyenkor 10^–21 métert változik. „Nem érezzük fizikailag ezeket a hullámokat, és nem is vagyunk folyamatos rezgésnek kitéve. A legnagyobb, legerősebb gravitációs hullám két fekete lyuk összeolvadásakor keletkezik, de amíg egymás körül keringenek, az mérhetetlenül apró gravitációs hullámokat generál. Először egy két tizedmásodpercig tartó gravitációs hullámot sikerült észlelni. Eddig tartott.”

A gravitációs hullám hullámként viselkedik, van frekvenciája és amplitúdója. „Folyamatosan finomítjuk a berendezéseket, hiszen minél távolabb megyünk, annál több ilyen jelenséget tudunk megfigyelni az univerzumból, mert mire ideérnek, gyengülnek ezek a hullámok. A csillagászok új szemet kaptak a világegyetemre, új mérési lehetőséget, új jelenségeket figyelhetnek meg. Azért fejlesztjük a berendezést, hogy minél több ilyen észlelést végezhessünk a fekete lyukakról, a relativitáselmélet helyességéről vagy részleteiről. De napi szinten nincs befolyással az életünkre.”

Száz év tanulsága

Az asztrofizikus szerint teljesen véletlen, hogy éppen száz évbe telt észlelni a gravitációs hullámokat. A relativitáselmélet néhány tételét azonnal sikerült igazolni, a Merkúr pályáját vagy azt, hogy egy nagy tömegű objektum mellett elhajlik a fény. „Aztán jött a hibernáció kora, fél évszázadig semmi egyéb kísérleti bizonyítékát nem sikerült megtalálni az általános relativitáselméletnek, mert komoly mérési technikát igényelt. Einstein annyira megelőzte a korát, hogy ötven évnek kellett eltelnie, míg indirekt módon bizonyították a fekete lyukak létezését. 1965-ben fedezték fel az ősrobbanásból származó kozmikus háttérsugárzást. A gravitációs hullám pedig még egy ennél is több nagyságrenddel finomabb jelenség” – mutat rá az asztrofizikus.

A hetvenes években Joseph Hooton Taylor és Russell Alan Hulse fedezték fel a kettős pulzárokat – 1993-ban Nobel-díjat is kaptak érte –, egymás körül keringő csillagpárosokat, amelyek folyamatosan energiát veszítenek. Egyetlen magyarázat erre csakis az, hogy az energiát gravitációs hullámok formájában bocsátják ki. Tehát már a hetvenes években született olyan mérés, ami valószínűsíti a gravitációs hullámokat. A Nobel-díj odaítélésével nagyjából egy időben az amerikai National Science Foundation, vagyis az NSF egymilliárd dollárt adott arra, hogy megépüljenek a hullámok észlelésére alkalmas detektorok.

„Lézer-interferométerre van szükség. Rainer Weiss azért kapott Nobel-díjat, mert már a hetvenes években felvázolta a saját megoldását, ami végül sikerre vezetett. Ha építünk két, egymásra merőleges kart, azok végein található tükrök között pedig lézersugarat küldünk oda-vissza, akkor meg tudjuk mérni a karok hosszát. Ha a karok négy kilométer hosszúak – ahogy a LIGO esetében van –, akkor a vákuumban oda-vissza verődő lézerrel már precíz mérést lehet végezni. A lézerhullámokat összevetem, interferáltatom egymással. A gravitációs hullám hatására az egyik kar picit megrövidül, a másik pedig kissé megnyúlik, a különbség megjelenik az interferométeren. Nagyon apró változásokat képes detektálni” – foglalja össze az asztrofizikus. Hozzáteszi, a szakzsargon által transzverzálisnak nevezett gravitációs hullámok a haladáshoz képest merőlegesen változtatják a tér kiterjedését: egyik irányba növel, a másik irányba pedig szűkít. Így ideális esetben a két kar közül az egyik hosszabbá válik, a másik pedig rövidül.

A LIGO, vagyis a Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory a gravitációs hullámok mérésére szolgáló projekt neve. Az Egyesült Államok területén két érzékelőt építettek, egyet Washington államban, egyet pedig Louisianában. Az NSF a megépítésre adta az egymilliárd dollárt, az üzemeltetésért viszont egy tudományos konzorcium felel, amelyben a kezdetektől fogva részt vesznek amerikai egyetemek és kutatók, valamint angol, német és magyar kutatóintézetek is – azóta persze világméretű kollaborációvá bővült a projekt. Az ELTE-s részleg vezetője Frei Zsolt.

„A feladatunk a mérések végzése, az adatok elemzése és a tudományos publikációk megírása volt. Csoportvezetőként periodikusan küldtem kollégákat Amerikába, Raffai Péter és Dálya Gergely kollégám a vezérlőteremben ültek, és heteken keresztül vezették a mérést. Itthon adatelemzési módszereket fejlesztettünk, hogy a sok begyűjtött zajos adatból ki tudjuk hámozni a hullámokat.”

A LIGO ugyanis mindent érzékel: egy közelben elhaladó teherautót, vulkánkitörést, bármit, ami megrezgeti a berendezést. A magyar csapat legfontosabb feladata volt, hogy két vagy három detektor – mondjuk a két amerikai és az olaszországi Virgo – jeléből meg tudják határozni, honnan ered a gravitációs hullám. „Ez nem egy távcső, hogy odafordítom, és pontosan tudom az objektum helyét az égen. De 2017-ben a mi munkánk segítségével sikerült lokalizálni két összeolvadó neutroncsillagot, utána távcsövekkel is sikerült megfigyelni.”

A LIGO érzékenységének eredménye, hogy kellőképp ki tudja szűrni a háttérzajból a gravitációs hullámokat. Azonban pont a jelentős háttérzaj miatt mindenfajta gravitációs hullámra egy új szűrőt kell készíteni – a LIGO eddig leginkább körpályán egymás körül keringő, majd összeolvadó fekete lyukakkal foglalkozott, azért, mert ennek van meg a metodikája. Viszont az ELTE komoly eredményeket ért el abban, hogy megértsék az elliptikus pályán mozgó feketelyuk-kettősöket, így azok is kutathatóvá váljanak a LIGO-val. Nemcsak a LIGO működik a bolygón, hanem a már említett Virgo Olaszországban és a KAGRA Japánban. Ezek azonban két-háromszorosan elmaradnak érzékenységben a LIGO két műszerétől – utóbbiak így tízszer annyi objektumot érzékelnek.

Félévnyi őrlődés

2015 szeptemberében érzékelték először a gravitációs hullámokat, azonban csak fél évvel később, 2016 februárjában jelentették be. A fél év arra kellett, hogy biztosra menjenek.

„Amikor a szoftver jelezte, hogy itt mintha lenne egy gravitációs hullám, félévnyi adatelemzés következett, hogy ne legyen az észlelésből világméretű tudományos fiaskó. Változatos körülmények buktathatják meg az észlelést: egy közeli zavartól egészen addig, hogy valaki betört a számítógépes rendszerbe, és elrejtett ott adatokat. Mi magunk is csináltunk ilyet, hogy teszteljük a LIGO adatelemző szoftverének érzékenységét. Egy háromfős bizottság rejtette el a feltételezett gravitációshullám-mintázatot az adatsorba. Tehát elrejtették a zajos adatfolyamba, és várták, hogy az elemzéssel foglalkozó kollégák kiszúrják-e, hiszen csak akkor mondhattuk, hogy kellően pontos az észlelés. Amikor feltételeztük, hogy hullámokat észleltünk, meg kellett írni a publikációt is, majd a cikk beküldése előtt felbontottunk egy zárt borítékot, amely tartalmazta, hogy mikor volt mesterségesen elrejtett jel az adatfolyamban. Ma már erre nincs szükség” – foglalja össze Frei Zsolt.

Vagyis az első észlelés előtt minden alkalommal, amikor mesterségesen elrejtettek egy jelet, a tudósok megírták a cikket, majd kiderült, hogy vaklárma vagy heuréka. A 2015-ös észleléskor sem volt benne biztos mindenki, hogy valóban gravitációs hullámot érzékelt a LIGO, mert pontosan úgy nézett ki, ahogy a nagykönyvben meg van írva.

Olcsóbb lesz tőle a kenyér?

„Eddigi beszélgetésünk arról szólt, hogy az Einstein-féle relativitáselmélet meghaladta a korát, és a gravitációs hullám egy fizikailag mennyire picike jelenség, amiről azt sem gondoltuk soha, hogy kimutatható lesz, nemhogy azt, hogy bármire felhasználható. De szeretném három dologra felhívni a figyelmet. Az egyik, hogy amikor felfedezték az elektromos indukciót majdnem kétszáz évvel ezelőtt, senki nem tudta, hogy mire lesz használható. Mára elképzelhetetlen az életünk áram nélkül – veti fel Frei Zsolt. – Ez egy nagyon elméleti alapkutatás, távol van a hasznosíthatósága.

A másik dolog, hogy igazolnunk kell Einstein relativitáselméletét, és ez egy hatalmas kísérleti hozzájárulás. Az általános relativitáselméletnek vannak a mindennapi életet befolyásoló hatásai: a GPS akár napi tíz kilométert is tévedhetne, ha nem lenne benne az einsteini elveken nyugvó korrekció. Emiatt teljesen használhatatlan lenne a berendezés.

A harmadik és legfontosabb megjegyzésem, hogy ez egyelőre egy asztrofizikai kísérleti eszköz, közben egy nagyon jelentős előrelépés a megfigyelési technikában. Ez nem arról szól, hogy észleltük a gravitációs hullámokat, és tehetünk egy pipát a relativitáselmélet vonatkozó része mellé. Manapság évente százas nagyságrendben érzékelünk gravitációs hullámokat, ez egy nagyon fontos megfigyelési eszköz az asztrofizikában. Fekete lyukakból származó gravitációs hullámokat tudunk észlelni, ezzel a fekete lyukakat tudjuk tanulmányozni, ami eddig, a hagyományos eszközökkel nem volt lehetséges. Elektromágneses tartományban egyszerűen nem tudjuk őket megfigyelni, mert semmilyen hullámhosszú foton nem hagyja el a fekete lyukat, nézhetem infravörösben, ultraibolyában, nem látok semmit. A gravitációs hullámait viszont érzékelem. Egyelőre azt tudom mondani, hogy fontos csillagászati kísérleti berendezés a gravitációshullám-detektor.”

A végtelenbe és tovább!

Ezzel azonban nincs vége a LIGO térnyerésének. A földi érzékelés következő fázisa az égi: a világűrben vetik be a hullámdetektort LISA néven.

„Ha az űrbe elhelyezünk három űrszondát, amelyek egymást nézik lézerfénnyel, ott nem kell vákuumkamrát építeni, ráadásul ötmillió kilométerre is elhelyezkedhetnek egymástól” – foglalja össze Frei Zsolt. Az ötmillió kilométer jelentősen több, mint a négy, jelenleg pedig épp az Einstein-teleszkóp lenne a következő fázisa a földi észlelésnek, amely egy tíz kilométer karhosszúságú detektor. Már ez is más típusú jelenségeket képes tanulmányozni a LIGO-hoz képest. Amilyen hosszú a berendezés karja, olyan hullámhosszra érzékeny. A négy kilométeres relatíve rövid hullámokra, gyorsan rezgő, nagyfrekvenciájú hullámokra érzékeny.

Ha egy milliószor hosszabb interferométert építenek, akkor nagyságrendekkel alacsonyabb frekvenciájú gravitációs hullámokat képes érzékelni, amelyeket a kis tömegű fekete lyukaknál lomhább rendszerek bocsátanak ki. Így a két naptömegű fekete lyukak helyett a galaxisok középpontjában lévő, jóval nagyobb fekete lyukak is kutathatóvá válnának: „Itt már nem a gravitációs hullámok fölfedezésén van a hangsúly, hanem egy újabb kísérleti eszközként tekintünk a LISA-detektorra. Másfajta fizikát fogunk tanulmányozni. Nyomon tudjuk követni a galaxisok összeütközését azzal, hogy a bennük összeolvadó szupernehéz fekete lyukak gravitációs hullámait detektáljuk.”