Most először találtak bizonyítékot a Tejútrendszerünkön áthaladó, alacsony frekvenciájú gravitációs hullámokra – jelentette be szerdán az amerikai és kanadai NANOGrav konzorcium. A felfedezéshez galaxisunk pulzárjait, vagyis gyorsan forgó neutroncsillagait használták fel egyfajta kozmikus antennaként. A több éves vagy évtizedes periódusú gravitációs hullámokat, amelyek a téridő fénysebességgel terjedő zavaraiként foghatók fel, az összeütköző galaxisokban egymás körül keringő szupermasszív fekete lyukak hozhatják létre.

A NANOGrav földi rádióteleszkópok, köztük a három évvel ezelőtt összeomlott Arecibo Obszervatórium segítségével 2004 óta figyelt meg 68 olyan neutroncsillagot, ami hihetetlenül gyorsan, másodpercenként több százszor fordul meg tengelye körül. A téridőt torzító, hosszú periódusú gravitációs hullámok előre jelezhetően módosítják, hogy a milliszekundumos pulzárok jelei mikor érkeznek meg a Földre, így kimutathatóvá válnak. Gravitációs hullámokat először 2015-ben észleltek a LIGO detektorok segítségével, két fekete lyuk összeolvadásából, amiért két évvel később Rainer Weissnek, Kip Thorne-nak és Barry Barishnek ítélték oda a fizikai Nobel-díjat.

A június 29-én az Astrophysical Journal Letters folyóiratban közölt, a NANOGrav 15 évnyi méréssorozatán alapuló konklúziót három másik nemzetközi kollaboráció is megerősíti, az együttműködő európai (EPTA) és indiai pulzáridőzítési hálózat (InPTA), az 500 méteres FAST teleszkóppal mérő kínai pulzáridőzítési hálózat (CPTA) és az ausztráliai Parkes pulzáridőzítési hálózat (PPTA). Ennek ellenére a szakemberek még nem „észlelésről” beszélnek, mert egyik kollaboráció sem érte el a biztos felfedezéshez szükséges statisztikai bizonyosságot.

A NANOGrav után egy nappal egy másik asztrofizikai kollaboráció, az IceCube is áttörésről számolt be: elkészítették az első, neutrínók segítségével a saját galaxisunkról létrehozott térképet. A neutrínók olyan, töltés nélküli elemi részecskék, amelyek nagyon ritkán hatnak kölcsön az anyaggal, így csak nehézkesen, közvetett módon lehet őket kimutatni.

A csütörtökön a Science folyóiratban közzétett tanulmányukban a Déli-sarki Neutrínó Obszervatórium kutatói nagy energiájú neutrínók észlelését mutatják be a Tejútrendszer belső régióiból, amilyenek felfedezésére már régóta vártak a szakemberek. A következő lépés Ignacio Taboada, az IceCube szóvivője szerint a konkrét források azonosítása lesz, ahonnan ezek a tejútrendszerbeli neutrínók erednek.

„Ha egy szép, felhőtlen éjszakán felnézünk egy fényszennyezéssel minimálisan bevilágított égboltra, azon csillagok százait láthatjuk. Képzeljük el, hogy ezt a pár száz csillagot több 100 milliárd csillag közül kellene kiválasztanunk, úgy, hogy a csillagok látszó fénye a telihold látszó méreténél akár többször nagyobb területen oszlik el. Máris nem olyan egyszerű a feladat! A nagy energiájú neutrínók háza táján hasonló, tűt a szénakazalban jellegű problémát kell a kutatóknak megoldaniuk”

– kommentálta a felfedezést a Qubitnek az IceCube kollaborációban részt vevő Kun Emma, a bochumi Ruhr Egyetem Csillagászati Intézetének aktív galaxismagokat, fekete lyukakat és nagy energiájú neutrínókat vizsgáló csillagásza.

Kun, aki az IceCube detektor által észlelt neutrínók pontforrásait keresi, hozzátette, „a galaktikus sík neutrínóemissziójának kellő pontossággal való azonosításában meghatározó szerepet játszottak a kutatás során alkalmazott machine learning [gépi tanulási] és deep learning [mélytanulási] technikák”. Ezek a csillagász szerint mind a neutrínóesemények kiválasztását, mind a rekonstruálását segítették, így majdnem egy nagyságrenddel javították a detektor kaszkád típusú neutrínókra való érzékenységét.

Mit árulhatnak el az univerzumról az észlelt gravitációs hullámok?

„Egy ponton amiatt aggódtak a kutatók, hogy ezek a kettős szupermasszív fekete lyukak örökké egymás körül keringenek, és nem kerülnek egymáshoz elegendően közel egy ilyen jel létrehozására. De most végre lett elég erős bizonyítékunk arra, hogy sok ilyen, elképesztő tömegű és egymáshoz közeli kettős égitest létezik. Amint a két fekete lyuk elég közel kerül egymáshoz ahhoz, hogy a pulzáridőzítési hálózat észlelje, már semmi sem állíthatja meg a pár millió év alatt bekövetkező összeolvadásukat” – mondta Luke Kelley, a Kaliforniai Egyetem (Berkeley) asztrofizikusa és a NANOGrav csoport vezetője.

A szupermasszív fekete lyukak a legtöbb galaxis, köztük a Tejútrendszer középpontjában is megtalálhatók. Az elmúlt években ezt már nem csak a galaxisokra vagy környező csillagokra gyakorolt hatásukból tudjuk, hanem két ilyen objektum közvetlen megfigyeléséből is, amik megmutatták az M87 kolosszális és saját galaxisunk jelentősen kisebb, de azért még így is 4 millió naptömegű fekete lyukát, a Sagittarius A*-t.

A NANOGrav kutatói szerint a jel erőssége alapján az ilyen szupermasszív fekete lyuk párokból több százezer vagy több millió lehet a világegyetemben. Azt remélik, hogy a későbbiekben az új gravitációshullám-jel vizsgálata segíthet megérteni, mennyire gyakoriak a galaxisok ütközései, mi hajtja a szupermasszív fekete lyukak összeolvadását, és hogyan változnak az univerzum legnagyobb struktúrái, amelyek vizsgálatáról nemrég Kovács Andrással, az MTA-CSFK Lendület Nagyskálás Szerkezet Kutatócsoport vezetőjével beszéltünk. Az amerikai-kanadai kollaboráció közleménye szerint a jel egy részét akár az ősrobbanás gravitációs hullámai is adhatják, ami így idővel betekintést nyújthat az univerzum korai történetébe is.

„Egy galaxis méretű, egzotikus csillagokból álló gravitációshullám-detektort használunk, amitől megáll az eszem. A kezdeti adatok arra mutattak, hogy hallunk valamit, de nem tudtuk pontosan, hogy mit. Most már világos, hogy a világegyetem gravitációs zenéjére bukkantunk. Ha tovább hallgatjuk, valószínűleg el tudjuk majd különíteni a kozmikus zenekar hangszerei által játszott hangjegyeket. Ezeknek az eredményeknek a galaxisok szerkezetéről és fejlődéséről folytatott kutatásokkal való kombinációja forradalmasítani fogja az univerzum történetéről alkotott tudásunkat”

– mondta Scott Ransom, az amerikai Nemzeti Rádiócsillagászati Központ kutatója.

A Tejútrendszerből származó neutrínókat talált az IceCube

„A magas érzékenységű IceCube detektor képességei új adatelemző eszközökkel együtt teljesen új képet adtak saját galaxisunkról, amire csak utalások voltak korábban. A további fejlesztésekkel arra számíthatunk, hogy egyre nagyobb felbontású lesz ez a kép, amely galaxisunk eddig eltakart jellegeit tárhatja fel, amit az emberiség még sosem volt képes megfigyelni” – mondta el Denise Caldwell, az amerikai Nemzeti Tudományos Alap (NSF) fizikai tudományokkal foglalkozó igazgatóságának vezetője.

Az IceCube obszervatóriumot az amerikai Amundsen–Scott déli-sarki kutatóállomáson építették fel, hogy az antarktiszi jégtakaró mélyébe fúrt, több mint 5 ezer szenzorával kozmikus események által kibocsátott, nagy energiájú neutrínók után kutasson. A most észlelt kozmikus neutrínók az IceCube szerint milliószor vagy milliárdszor nagyobb energiájúak, mint amik csillagokban, így a Napban is létrejönnek a fúziós reakciók során.

A világ legnagyobb neutrínóteleszkópja, aminek működésével egy korábbi podcastunkban már részletesen foglalkoztunk, az elemi részecskék vízmolekulákkal történő ütközéseit figyeli, Ezekből töltéssel rendelkező leptonok jöhetnek létre, amik aztán Cserenkov-sugárzást bocsáthatnak ki, amikor a jégben érvényes helyi fénysebességnél gyorsabban kezdenek el haladni. Az ekkor létrejövő fotonokat észlelik detektorok, amiket a háttérzaj leárnyékolása miatt a jég alá 2,5 kilométeres mélységbe leereszkedő szenzorfüzéreken helyeztek el.

Kun arra a kérdésünkre, hogy mekkora annak valószínűsége, hogy hibás észlelésről van szó, úgy reagált: „Az IceCube Neutrínó Obszervatóriumban 4,5 sigma szignifikancia szinten azonosították a galaktikus sík neutrínóemisszióját. Ez azt jellemzi, hogy mekkora eséllyel származik a jel valójában annak a hátteréből.” A kutató szerint az érték azt fejezi ki, hogy ha képesek lennénk 147 160 darab, a Tejútrendszerrel tökéletesen megegyező galaxis neutrínóemisszióját megmérni az IceCube-bal, csupán egyszer találnánk a detektor által mért neutrínóhátteret tévesen a galaktikus sík neutrínóemissziójaként. Úgy véli, problémát az észlelésnek a detektorhoz köthető szisztematikus, például a jég fizikai tulajdonságainak nem megfelelő ismereteiből származó hibák okozhatnának, ami, figyelembe véve, hogy milyen alaposan ismerjük az IceCube detektor jegének minőségét, meglepő volna.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: