Aszenzációs bejelentés három hatalmas felfedezésről szól egyszerre. Az egyik, hogy valóban léteznek gravitációs hullámok. A másik, hogy léteznek kettős fekete lyukak, amelyek össze is olvadnak. A harmadik: a két fekete lyuk összeolvadása 4500-szor több energiát adott ki, mint amennyit a mi Napunk teljes élete során kibocsát. Ilyen nagy energiájú jelenséget korábban nem észleltek. Frei Zsolt, az ELTE Atomfizika Tanszék tanszékvezető egyetemi tanára szerint e felfedezés miatt nem kell újraírni a fizikát, az egy eddig hiányzó láncszemmel egészült ki. Alapkutatási eredményről van szó, amely mérföldkő a fizikában, újabb fontos kísérleti bizonyítéka az általános relativitáselméletnek. A tudomány egyik legnagyobb kísérletezőjeként emlegetett Michael Faradayt 1857-ben az elektromosság és mágnesesség kapcsolatát kutató kísérletei közben meglátogatta az akkori angol pénzügyminiszter, a későbbi miniszterelnök, William Gladstone. A laborban a laikus miniszter azt mondta: érdekes, de mire jó ez az egész? Faraday válasza: azt nem tudom, de egyszer majd ön adót szedhet utána.
Ezt a történetet elevenítette fel Frei Zsolt, amikor arról kérdeztem, hogy milyen hatással lehet mindennapjainkra a gravitációs hullámok észlelése. A gravitációs hullámok forrásai a mozgó tömegpontok. Minél nagyobb ez a tömegpont, annál nagyobb hullámot kelt. Albert Einstein 1915-ben tette közzé általános relativitáselméletét, amely több különleges jelenség létét is megjósolta, illetve megmagyarázta. Majd mindegyik igazolódott: kiderült, hogy valóban léteznek fekete lyukak, hogy a távoli galaxisok színképe tényleg a vörös felé tolódik, hogy a Merkúr pályája a gravitációs erőhatás miatt nem követi a bolygók mozgását leíró Kepler-törvényeket stb., de a gravitációs hullámokat nem sikerült elcsípni. Nem véletlenül, hiszen olyan változást kellene kimutatni, amely egy egy méter hosszú tárgyon a proton átmérőjének az egymilliomod részével azonos módosulást okoz. (A gravitációs hullámok hatására a tárgyak az egyik irányban összehúzódnak, erre merőlegesen pedig megnyúlnak.) Einstein maga is megkockáztatta: talán soha nem sikerül a hullámok kísérleti kimutatása.
De miért érdekesek ezek a hullámok, ha ennyire közömbösek életünkre? Azért, mert a gravitációs hullámok az univerzum objektumainak mozgásáról hordoznak információt, segítségükkel a világegyetem régmúltjába pillanthatunk be. Gravitációs hullám a forrása, és a Föld között elhelyezkedő objektumokon gyakorlatilag akadálytalanul halad át. E hullámok megfigyelése ismeretlen lehetőségeket rejt, átformálhatja a világról és az abban betöltött helyünkről kialakított képünket. Először tömegrezonátorokkal kísérleteztek, például egyméteres átmérőjű, két méter hosszú alumíniumtömbbel, de ez nem hozta meg a várt eredményt. A koncepció az volt, hogy ha egy ilyen fémtömbre kalapáccsal ráütünk, az például nagyjából 1000 hertz frekvenciával cseng. A gravitációs hullámok igen apró kalapácsként szintén megrezegtetik a fémtömböt, a rezgést csak meg kell mérni. Jó ötletnek tűnt, de a gravitációs kalapács hatását nem érzékelték a műszerek.
A nyolcvanas évek végén, a kilencvenes évek elején merült fel, hogy lézert használó detektorokkal keressenek gravitációs hullámokat. Az angolok negyvenméteres eszközt terveztek, de amikor meghallották, hogy a németek Hannoverben hatszáz méteres detektort építenének, felhagytak a saját elképzeléssel, és a németekhez csatlakoztak. A kilencvenes évek közepén azonban az amerikaiak jelezték, hogy ők két darab, egyenként négy kilométeres műszert fejlesztenek. Ekkor döntött úgy a brit–német csapat, hogy az amerikaiakkal működnek együtt. A jelenlegi csúcstechnológiát képviselő gravitációshullám-detektorok L alakúak. Az egymásra merőleges két cső végén tükrök találhatók.
A tükrök között cikázó egyik lézernyalábot a felülről érkező gravitációs hullám kissé megrövidíti, a másikat megnöveli. Az apró eltérések kimutathatók. Két ilyen detektor született az Egyesült Államokban, az egyik Hanfordban (Washington állam), a másik Livingstonban (Louisiana állam) – az előbbi egy sivatagban, utóbbi egy mocsárban épült. A két műszer együttese a LIGO (Lézer-interferométer Gravitációshullám-obszervatórium). A két tökéletesen egyforma műszer egymástól 3000 kilométerre épült. Azért ilyen messze, mert ha ilyen távolságból egyszerre látnak valamit, akkor biztosak lehetünk a kozmikus eredetben. Ha csak az egyik észleli, az külső zaj is lehet – például tíz kilométerre elment egy vonat. Ezzel a rendszerrel a proton átmérőjének megfelelő eltérést is kimérhetik, ha nagy vákuumban mozog a lézer. Az 1,2 méter átmérőjű csőben cikázó lézernek olyan nagy a teljesítménye, hogy azzal fémet lehet vágni. Ha rosszul állítják be, akkor a lézer a tükröket rögzítő vékony üvegszálakat is simán elszelheti.
A LIGO a világ legnagyobb állandó ultravá-kuum (a világűrnél nyolcszor ritkább vákuum) kamrája, 8500 köbméteres térfogatában a földi légnyomás egybilliomod részének megfelelő nyomás uralkodik. Ilyen hatalmas térfogatban ennél kisebb nyomás sehol sincs a Földön. A legkisebb lyuk – márpedig ilyen bármikor előfordulhat – felderítése is bonyolult műszerezettséget igényel, állítja Frei Zsolt, aki a Princeton Egyetemen szerzett PhD fokozatot, majd éveken át a University of Pennsylvania Egyetemen tanított. A rendszert a LIGO Scientific Collaboration működteti, 15 országból mintegy kilencven csoport mér, értékel, ír cikket. A magyar kutatók munkája számos ponton érhető tetten. Raffai Péter például a louisianai vezérlőteremben ülve vezette a méréseket. Adatfeldolgozási szoftver készült, galaxiskatalógust állítottak össze, infrahangmikrofont fejlesztettek a műszer környezetének monitorozásához. Ezt saját kezűleg szerelték be. Nem mellékes tény, hogy a LIGO honlapja – www.ligo.org – angol és spanyol mellett magyar nyelven is olvasható. A többi tagország csak készül erre a szolgáltatásra.
Frei Zsolt a hanfordi obszervatóriumban
Azt már korábban elismerte a tudományos közvélemény, hogy a gravitációs hullámok léteznek, de eddig nem tudták őket kimutatni. A fizikusok a legintenzívebb gravitációshullám-jeleket fekete lyukak, neutroncsillag és fekete lyuk vagy két neutroncsillag összeolvadása után várják. (A neutroncsillag még világít, de a fekete lyuk olyan tömör, hogy onnan a fény sem tud kiszökni.) Tavaly szeptemberben a műszerek cáfolhatatlanul érzékeltek egy gravitációs hullámot. Egészen pontosan 2015. szeptember 14-én, magyar idő szerint a délelőtti órákban történt a világraszóló esemény. Mint az adatok elemzéséből utólag kiderült, a detektorok egy 29 és egy 36 naptömegű fekete lyuk összeolvadását észlelték. Egymástól 210 km távolságra voltak, amikor a legnagyobb energiájú gravitációs hullámot kibocsátották. (Ekkor a másodperc 150-ed része alatt kerülték meg egymást, ami hihetetlen gyors pörgés.) Kimérték, hogy a két fekete lyuk nyolc kört tett meg az összeolvadás előtt, mindössze 0,2 másodperc alatt. Az első körben még 600 km-re voltak egymástól, a végén 210 kilométerre. A két összeolvadó objektum lecsengését is nyomon tudták követni, miközben ez az egész egymilliárd fényév távolságra volt tőlünk. A jelből azt is kimutatták, hogy a találkozás előtt 65 naptömegű két fekete lyuk az összeolvadás után 62 naptömegű lett. A különbséget egy pillanat alatt gravitációs hullámok formájában bocsátották ki.
A LIGO munkatársai közel fél éven át vizsgálták a szeptemberi jelet, mert nem akartak felsülni. Az amerikai tudományos alap (NSF) húsz év alatt egymilliárd dollárt költött erre a programra, nem szerették volna egy elhamarkodott bejelentéssel lenullázni a program hitelességét. Van ok az óvatosságra, hiszen már 2014-ben úgy tűnt, hogy a Harvard–Smithsonian kutatói a BICEP2 távcsővel megtalálták a legősibb gravitációs hullámok nyomait. Később kiderült, hogy az eredmény fals volt, hiszen csillagközi port érzékeltek a műszerek gravitációs hullámok keltette jelként. Ezt a blamát akarták elkerülni a LIGO program irányítói. Akkor léptek a nyilvánosság elé, amikor az erről szóló tudományos cikket elfogadták. Jelen esetben az egyik legrangosabb tudományos lapról, a Physical Review Lettersről van szó. A cikk bírálói szerint ez a legérdekesebb közlemény, amelyet életükben olvastak, minden bizonnyal a legtöbbet hivatkozott cikk lesz a fizikában.
Az óvatosság azért sem árt, mert időről időre úgy ellenőrzik a berendezést, hogy a valódi gravitációs hullámhoz kísértetiesen hasonlító mesterséges jelet küldenek a rendszerbe. Ezzel tesztelik a kutatókat, hogy a valódit meg tudják-e különböztetni a hamistól. Eddig ez sikerült. A hivatalos mérések egyébként tavaly szeptember 18-án kezdődtek, de már az előző hetekben teljes üzemben működött a rendszer. (Ezt az időszakot mérnöki szakasznak hívják.) Szerencsére, hiszen négy nappal korábban fogták a szenzációs jelet. Mivel szeptember 14-e nem volt hivatalos adatgyűjtő szakasz, az érzékelt jelenség mesterséges jel sem lehetett. Ezért dobbant meg valamennyi érintett szíve, mert tudták, először ők érzékelhettek valódi gravitációs hullámot. Eddig nem beszéltünk a LIGO-hoz hasonló céllal épült európai berendezésről, a VIRGO nevű olasz–francia fejlesztésről. A Pisától húsz kilométerre délre található három kilométeres detektor holland, lengyel és magyar közreműködéssel üzemel. Csakhogy ez a berendezés jelenleg kevésbé érzékeny, mint az amerikai. Ráadásul átépítése miatt – ezt is érzékenyebbé teszik az égi jelekre – éppen nem működött tavaly szeptemberben. Így csak a két LIGO csípte el a tudományos szenzációt jelentő hullámjelet.
2007-ben a két rendszert működtető szervezet adatcsere-egyezményt kötött: megosztják egymással a mérési eredményeket. Amit az egyik felfedez, azt a másik is a magáénak tudhatja. A mostani bejelentés szerzői között ezért szerepelnek a VIRGO-sok is, illetve olyanok, akik akkor már elhunytak, de a korábbi években aktívan dolgoztak a programban. Így fordulhat elő, hogy a nagy bejelentésnek több mint ezer szerzője van. A cikkírók között tíz magyar található, azaz az ezerfős gárda minden századik szereplője honfitársunk. Ha azt nézzük, hogy az egymilliárd dolláros beruházáshoz hazánk egymillió dollárral járult hozzá – ez a teljes keret ezredrésze –, akkor azt mondhatjuk, hogy a magyarok tízszeres hatékonysággal dolgoznak a programban.
A LIGO–VIRGO-egyezmény azért született, mert egyetlen detektorral bármilyen jelet érzékelve nem lehet bebizonyítani annak kozmikus eredetét. Két detektorral csupán annyit lehet mondani, hogy az égbolt melyik sávjából érkezhetett a jel. Ha három detektor egyszerre érzékeli a jelet, akkor a háromszögelési módszerrel nagy pontossággal megmondható, hogy milyen irányból érkezett a hullám. (Ezen az elven működik az autókba szerelt GPS, azaz helymeghatározó rendszer. Ebben az esetben három műhold segítségével közlekedhet biztonsággal az eltévedésre hajlamos vezető.) Két detektorral akkora égboltot kellene elemezni, mint a telihold háromezerszerese. Ez túl nagy terület a megfigyeléshez – ekkora felületre negyvenezer galaxis fér fel. Három érzékelőeszköznél néhány száz galaxisra szűkül a vizsgálandó égrész, ami Frei Zsolt szerint vállalható feladat. Ha két neutroncsillag vagy egy neutroncsillag és egy fekete lyuk olvad össze, akkor az fényjelenséggel is járhat, amelyet optikai távcsöveinkkel érzékelni lehet.
Ezzel a rendszerrel a proton átmérőjének megfelelő eltérést is kimérhetik
De tavaly szeptemberben hiába keresték volna az égbolton a fényjelenséget, nem találják meg, hiszen két fekete lyuk ütközött. Egyébként már akkor kiszivárgott, hogy történt valami, de a LIGO nem nyilatkozott, hanem azt mondta, hogy az adatok kiértékelése után állnak a nyilvánosság elé. A kevésbé hatékony európai műszer miatt kezd el építeni egy harmadik detektort a LIGO Indiában. Az eszközök már becsomagolva várják, hogy kijelöljék a helyszínt, és elkezdődjön az építkezés. (Ott is működnek majd az ELTE-n készített műszerek. Az indiai LIGO detektor pontos elhelyezését pedig a korábban már említett Raffai Péter számolta ki.) Ha a harmadik is elkészül, a jelenleginél jóval hatékonyabb lesz a LIGO-rendszer.
A méréseket idén január 12-én megszakították, hogy újabb finomhangolást végezzenek. Idén júliustól az eredeti érzékenység ötszörösét tudja majd a LIGO. A potenciálisan a rendszerben lévő tízszeres érzékenységet évek múlva érik el. Ha tízszeres lesz az érzékenység, hetente mérhetnek gravitációs hullámot. A tudománytörténeti jelentőségű eredmény egyik következménye a gravitációshullám-csillagászat megjelenése lehet, ami segít megválaszolni a fizika néhány fontos kérdését: hogyan születnek a fekete lyukak? Hogyan viselkedik az anyag a neutroncsillagokban és szupernóvákban fellépő szélsőséges hőmérsékleten és nyomáson?
„A huszadik századot Budapesten csinálták”
Az egész világegyetemet kitöltő kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást 1965-ben Arno Penzias és Robert Woodrow Wilson fedezte fel – ezért a felismerésért 1978-ban fizikai Nobel-díjat kaptak. Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) két független kutatócsoportja 2012 júliusában jelentette be, hogy a többi részecske tömegéért felelős Higgs-bozon létezésére utaló bizonyítékokat találtak a genfi nagy hadronütköztetőben folyó kísérleteik során. A brit Peter Higgs már 1964-ben megjósolta a szubatomi részecske létezését, mert szerinte e bozon nélkül nem alakulhattak volna ki a csillagok, a bolygók és a galaxisok. A felfedezést korábban úgy emlegették már, hogy az az évszázad legnagyobb tudományos eredményeinek egyike lehet. 2013-ban François Englert és Peter Higgs a Higgs-bozon elméleti felfedezéséért kapott Nobel-díjat. Kroó Norbert fizikus, az MTA korábbi főtitkára szerint a lézerek felfedezése a huszadik század derekán olyan fejlődést indukált, amely a mai napig sem fejeződött be. A fizika számos olyan módszert dolgozott ki, amely más diszciplínákban is megjelent, sőt általánossá vált. Ezért tekinthetjük a fizikát a többi természettudományos diszciplína alapjának, de megindult e módszerek más területeken való alkalmazása is. Kroó Norbert szerint arra különösen büszkék lehetünk, hogy a Nature című folyóirat 2001. évi első száma szerint „a huszadik századot Budapesten csinálták”. A részecskefizika fő feladata a gravitációs erőnek a magerőkkel, továbbá a gyenge és elektromágneses kölcsönhatásokkal való egyesítése, egységes elméletbe foglalása. Megoldásra vár az olvadás mechanizmusának, a folyadékok szerkezetének vagy az üvegszerű állapotba való átmenetnek a megértése. A turbulencia problémájával már mintegy ötszáz éve foglalkoznak, de még mindig nem értjük. Izgalmas problémákat rejt a Bose–Einstein-kondenzátumban megvalósítható atomlézerek fizikája, illetve alkalmazásai is. Hamarosan elkészülhet a kvantumszámítógép is.
