A Mátrából pompás kilátás nyílhatna az univerzumra
2015. szeptember 14. mérföldkő volt az emberiség történetében. Több ezer kutató és mérnök több évtizednyi munkája végül elérte célját, és az USA-ban található LIGO lézer-interferometriás gravitációshullám-obszervatórium észlelte egy milliárd fényévnél is távolabbi egymásba spirálozó fekete lyuk páros gravitációshullám-jelét.
Ez nemcsak Einstein százéves jóslatát igazolta a gravitációs hullámokról, és nem csupán az első alkalom volt, hogy fekete lyukak összeolvadását figyelhettük meg, de az emberiség számára egy új ablak is kinyílt az univerzum tanulmányozásához. Minden tudást ugyanis, amit valaha gyűjtöttünk a Naprendszeren kívüli világról, döntő részben különböző hullámhosszú fényhullámok közvetítették, legyen szó akár a látható fényről, akár az emberi szem számára nem látható, de csillagászati műszerekkel felfogható rádió és röntgensugárzásról vagy a gamma-felvillanásokról. Elektromágneses sugárzáson kívül csak a neutrínók detektálásával juthattunk még némi információhoz a kozmoszból, de a neutrínók olyan gyengén hatnak kölcsön, hogy örülünk, ha pár részecskét el tudunk nagy ritkán csípni.
Ablak az univerzumra
A gravitációs hullámok észlelésének lehetősége ténylegesen új ablakot nyit az univerzumra: nem véletlen, hogy az első detektálás után a benne kulcsszerepet játszó tudósok szinte azonnal megkapták a a Nobel-díjat. Ez a forradalmian új lehetőség olyan, mintha egy szobában élnénk, látnánk színesben, persze elég homályosan, ugyanakkor teljesen süketek lennénk. Ráadásul tapintani sem tudnánk, csak évente pár gázrészecske ütödne az arcunkhoz (gondolok itt a neutrínókra). Látnánk, hogy a szobában lévő emberek mozognak, mozog a szájuk, de nem hallanánk semmit. Majd egyik pillanatról a másikra meghallanánk, hogy ezek az emberek beszélnek, sőt kiderülne számunkra, hogy a szomszéd szobában, ahova soha nem léphetünk be, szintén beszélnek, és kiszűrödik a zaj.
A hasonlat abból a szempontból természetesen félrevezető, hogy a asztrofizikai objektumok nem beszélnek hozzánk tudatosan, és a szoba méretét tekintve sem helytálló, viszont más szempontból nagyon is szemléletes az analógia. Egyrészt a gravitációs hullámok egy része valóban hanggá konvertálható, mert a frekvenciájuk tipikusan a hallható tartományba esik. A legelső hangfoszlány, ami tehát a szomszéd szobából úgymond átszűrődött két fekete lyuk végső táncának csiripelése, ahogy ezt a szakzsargon nevezi, és meg is hallgatható, például a gravitacioshullam.hu népszerűsítő oldalon.
De miért beszélek elzárt szobáról? Ez is a hasonlat része, ugyanis az elektromágneses jelek általában csak a források felületéről hordoznak információt, ráadásul különféle módokon torzulhatnak, mire elérnek hozzánk. Sőt, vannak olyan tartományok, amik árnyékolva vannak, vagy éppenséggel nem is tud kijuti belőlük fény, lásd például a fekete lyukakat, ahogy a nevük is jelzi. Ezzel szemben a gravitációs hullámok a belső folyamatokról is közvetlen információval szolgálnak: a gravitációs hullámokkal terjedő téridőhullámzás praktikusan nem torzul, mindenen áthatol, és bárhonnan eljut hozzánk, mégpedig fénysebességgel.
Egy baj van csak vele, nevezetesen az, hogy nagyon kicsiny az effektus – ezért is kellett évtizedeket várni arra, hogy a detektorok érzékenységét megfelelő szintre fejlesszék a tudósok és mérnökök. Ezt a grandiózus feladatot szemlélteti az, hogy a detektor vákuumcsövének hosszváltozását olyan pontosan kell mérni, hogy észleljük, ha az egyik négy kilométeres cső hossza megváltozik a proton méretének akár csak az ezredrészével is. Ennek a fejlett méréstechnikának a trükkjei is megérdemelnek majd egy külön cikket, most azonban oda szeretnék eljutni, hogy megértsük, hogy miként kerül a képbe a Mátra.
Detektorok, amik észlelték az első jeleket
Gravitációs hullámokat érzékelő detektorból nemcsak a LIGO létezik, hanem Olaszországban, Pisa közelében is van egy hasonló frekvenciájú jeleket hasonló érzékenységgel észlelni képes detektor, a VIRGO. Továbbá a LIGO valójában két detektor, amelyeket az USA két átellenes sarkába, az északnyugati Washington és a déli Lousiana államokba telepítettek. Ez a három, L alakú detektor egymással kollaborációban működik, ugyanis a jelek égi pozícióját minimum három detektor egyidejű mérési adataiból lehet kihámozni a földmérők háromszögeléséhez hasonló módon. Továbbá az eltérő lokáció a zajok kiszűrésében is fontos szerepet játszik, és persze minél több detektor lenne, annál pontosabbak lennének a mérések.
Említettük, hogy milyen komoly mérési problémáról van szó: az úgynevezett első generációs detektorok még csak azt a célt szolgálták, hogy igazolják a mérési elv helyességét. A LIGO detektotok költségvetése már ebben a fázisban is az USA szövetségi szintű tudományos szervezete, a National Science Foundation (NSF) legjelentősebb beruházása volt. Nagyjából 2010 és 2015 között aztán a korábbi tapasztalatok alapján, és felhasználva az időközben kifejlesztett technikai újításokat a VIRGO és LIGO detektorokat újratervezték, hogy az átépítés után már valóban képesek legyenek jeleket detektálni, ha az égi források gyakorisága is annak megfelelő, amit az asztrofizikusok becsülni tudnak. Azóta a második generációs detektorok aktív működési idejük alatt hét eseményt is detektáltak: nemcsak fekete lyukak egymásba spirálozását, de neutroncsillagok összeolvadását is.
Az Einstein teleszkóppal új korszak nyílna a csillagászatban
Ez azonban praktikusan még nem nevezhető gravitációshullám-csillagászatnak. Az már kiderült, hogy tudjuk használni a fülünket is, de növelni kellene az érzékenységet, hogy ne csak alkalmanként halljunk meg egy-két szófoszlányt a szomszédos galaxisból, hanem észleljük az univerzum minden fontos eseményének szavát. Jelenleg csak a legnagyobb kiabálásokat halljuk, ha azonban a hallható események számát fel lehetne tornázni évi több száz vagy ezer eseményre, akkor már valóban új korszak nyílna a csillagászatban is. Ez az, amit az Einstein teleszkóp terve megcélzott. A létesítmény egy olyan korábbiakhoz hasonló interferometriás, háromszög alaprajzú detektor lenne, amit levisznek a föld alá párszáz méteres mélységbe, karhosszait pedig 10 kilométerre növelik.
A detektort azért érdemes levinni a föld alá, mert így csökken a szeizmikus zaj, a háromszög alak pedig segít abban, hogy az obszervatórium hasonló érzékeny legyen minden égi pozíció irányába. Az Einstein teleszkóp a tervek szerint valójában hat detektort tartalmazna egy helyen, mert a háromszög minden oldalpárjára kétfajta detektor kerülne. Az egyik 3 megawattos, nagy teljesítményű lézerrel működne, ami nagy frekvenciákon tenné érzékenyebbé, a másik pedig kisebb teljesítményű lézerrel, így a tükröket le lehetne hűteni 10 Kelvinre, ami alacsony frekvencián tenné érzékenyebbé az obszervatóriumot.
A tervek szerint az Einstein teleszkóp tízszer érzékenyebb lenne, mint a jelenlegi csúcsra járatott második generációs detektorok, és évi ezres nagyságrendben tudna eseményeket észlelni. Mivel a teleszkópot az Európai Unióban kívánják megvalósítani, a létesítménynek köszönhetően Európa válhatna a gravitációshullám-csillagászat vezetőjévé.
Mátra: ahol szélesre tárhatnánk az ablakot az univerzumra
Az Einstein teleszkóp egyik korábban még lehetséges, igen jó adottságokkal rendelkező helyszíne a Mátra lábánál található. A Gyöngyöstől néhány kilométerre fekvő Gyöngyösoroszi környékén lévő területről van szó, melynek adottságai kiválóak szeizmikus szempontból, a Mátra ugyanis lényegében egy gigantikus geológiai lengéscsillapítón helyezkedik el. A potenciális helyszínt a hazai csoport korábbi vezetője, Rácz István, ajánlotta be, később Vasúth Mátyás vezetése alatt folytak tovább az előkészületek és a Mátrába kitelepült laborban Ván Péter vezetése alatt Somlai László végezte el a szükséges szeizmológiai méréseket. A kezdetben 11 lehetséges helyszín között szereplő Mátra tavaly novemberben már csak harmadmagával volt versenyben (egy szardíniai és egy németországi helyszínnel) és a kétéves szeizmológiai adatfelvétellel a magyar kutatók jóval a többiek előtt jártak. Most azonban úgy néz ki, a helyszín bizonyítottan kiváló szeizmológiai adottságai ellenére tudománypolitikai és finanszírozási okokból mégsem marad versenyben.
A projekt koordinálására létrehozandó európai konzorcium várhatóan 2022-ben dönt arról, hogy melyik helyszínen valósítja meg az 1-2 milliárd eurós
(300-650 milliárd forintos) projektet, és 2032 körül fejeznék be a detektor építését, ami a tervek szerint 50 évig működne. A terv támogatói szerint mindez különösen nagy lehetőség lehetett volna Magyarországnak, hiszen a mérnöki és fizikai tudás csúcstechnológiái mellett a detektor megépítése számos más iparági fejlesztést is követel, többek között bánya- és építőipari, vákuumtechnológiai és szeizmológiai fejlesztéseket. Ahhoz azonban, hogy a mátrai helyszín pályázhasson a magyar kormány szándéka és pénzügyi támogatása is szükséges lett volna. Magyarországnak ugyanis fel kellett volna kerülnie az Európai Unió potenciális nagy projekteket felsoroló hivatalos listájára, amihez már konkrét hatástanulmányokra és költségtervekre lett volna szükség kormányzati támogatással.
Az olasz kormány például már jelentős összegeket áldozott saját detektorprojektjére. Az ő potenciális helyszínük Szardínia szigetén található; ha ott valósulna meg az Einstein teleszkóp, akkor az olaszoknak már két gravitációshullám detektoruk is lenne. A magyar kormány illetékesei az ügyben az MTA állásfoglalását kérték, az intézményen belül pedig a Fizikai Tudományok Osztálya nyilvánított véleményt: tavaly november 28-án a szavazati joggal rendelkező tudósok többsége végül úgy szavazott, hogy nem támogatja a csaknem tíz éve elkezdett projekt hazai helyszínen történő megvalósulását. Erről bővebben ebben a cikkünkben olvashat.
A szerző fizikus.
