Új Szó, 2019. február (72. évfolyam, 27-50. szám)
2019-02-15 / 39. szám
TUDOMÁNY ÉS TECHNIKA 2019.február 15. | www.ujszo.com HORÁNYI GÁBOR Az előző alkalommal megbeszéltük, hogy honnan származnak gravitációs hullámok, s mekkora tudományos szenzációt jelentett felfedezésük. A továbbiakban azt a kérdést járjuk körül, hogy hogyan észleljük ezeket a hullámokat. A gravitációs hullámok észlelése egészen különleges technikát igénylő gigászi vállalkozás, mely a projekt elindítóinak teljesen megérdemelten hozta meg 2018-ban a Nobel-díjat. Ha meg szeretnénk érteni a mérés lényegét, először a hullámok tulajdonságaival kell megismerkednünk. A hullámok legérdekesebb sajátsága az anyagi részecskékkel szemben, hogy bennük az információ, az energia részecskéről részecskére adódik át. Rákoppintunk egy asztalra, s valaki az asztal másik szélén ezt érzékelni tudja az asztalon nyugtatott kezével. Mi a jelenség magyarázata? Az asztalt alkotó részecskéket a koppintás helyén rezgésre kényszerítettük, s mivel ezek a részecskék szoros csatolásban vannak a szomszédos részecskékkel, azok szintén rezgébse jöttek. A rezgés állapota így terjedt tovább, részecskéről részecskére. A rezgésállapotok között időeltolódás van, hiszen a koppintásunkkal kitérített asztalrész csak némi késéssel hozta rezgésbe az asztal további tartományát. Koppintásunk hatására az asztallapon kialakult egy hullám, ami fokozatosan rezgésbe hozta az egész asztalt. Az asztal részecskéi fel-le mozogtak, miközben a hullám a részecskemozgás irányára merőlegesen, az asztal felülete mentén teijedt. De mi van akkor, ha egyszerre két helyen koppintunk az asztalra? A hullámok minkét pontból elindulnak az asztal lapja mentén minden irányba, s így az asztal egyes pontjaiban találkozni is fognak. Mi történik a találkozási helyeken? Azok az információk melyeket a két hullám szállít a találkozási pontba, összeadódnak. Például ha az egyik hullám „üzenete” az adott pontban, hogy térj ki felfelé, a másiké meg ugyanakkor és ugyanott az, hogy térj ki lefelé, akkor az asztal ezen pontja A hullámok legérdekesebb sajátsága az anyagi részecskékkel szemben, hogy bennük az információ, az energia részecskéről részecskére adódik át (Fotó: Shutterstock) a találkozás eme pillanatában nem fog kitérni semerre sem. A fizikusok ezt úgy mondják: ott és akkor a két hullám kioltotta egymás. Ha két autó összeütközik, mindkettő megáll. De a hullámok találkozásának nincs ilyen következménye. Az információ a találkozást követően is tovább terjed, a hullámok úgy haladnak át egymáson, mint a tökéletes kísértetek az ódon kastély falain. Bizarr lenne elképzelni egy olyan világot, ahol az egymással találkozó hanghullámok összeütköznének és lehullanának a porba. Hogyan tudnánk ekkor például egymás szavába vágva beszélni? A hullámok találkozását interferenciának nevezik, s az interferencia képessége az a tulajdonság, ami leginkább megkülönbözteti a hullámokat a részecskéktől. A gravitációs hullámok kimutatásában is az interferencia jelensége játszik alapvető szerepet. Tudománytörténeti érdekesség, hogy a speciális relativitáselmélet megalapozása során bukkant fel először az interferométer, mely a gravitációs hullámok kimutatására is alkalmas. Az interferométer a hullámok interferenciáját érzékeli, méri. A speciális relativitáselméletet megalapozó Michelson-Morley kísérlet során igazolást nyert, hogy a fény terjedési sebessége független a megfigyelő és a fényforrás mozgásától. Az interferométer segítségével mutatták ki, hogy a napkörüli pályán keringő Földről indított fényjel ugyanakkora sebességgel terjed a Föld haladási irányába, mint arra merőlegesen. A mérés kulcsa az volt, hogy egy fénysugarat egy féligáteresztő tükör segítségével két egymásra merőleges hullámra bontották. A hullámok két csőben, az interferométer két karjában terjedtek. A karok iránya a Föld mozgásának iránya és az arra merőleges irány volt. Ezeket a hullámokat egy-egy a karok végében elhelyezett tükörről való visszaverődést követően úgy egyesítették, hogy éppen kioltsák egymást, amennyiben sebességük tökéletesen azonos. A kioltás elmaradása jelezte volna a sebességkülönbséget a hullámok között, de a kioltás tökéletes volt. Tehát a kísérlet negatív eredménye, a teljes kioltás azt igazolta, hogy a hullámok sebessége mindkét irányban azonos, megalapozva ezzel az einsteini állítást, a fény sebessége a légüres térben állandó, független a megfigyelő és a fényforrás mozgásától. Michelson interferométerének merőleges karjai nagyjából 1 méter hosszúak voltak. Később, a kísérlet nem várt eredményét Morley 16 méteres karokkal ellátott interferométerrel is ellenőrizte, de a teljes kioltás ekkor is megmaradt. A gravitációs hullámok kimutatásának eszköze szintén az interferométer. Itt a teljes kioltás elmaradását nem a merőleges hullámok sebességében beálló kicsiny különbségek okozhatják, hanem a hullámok úthosszának, az interferométer karhosszának kicsiny változása. Mindez egy gravitációs hullám téridő torzító hatásának lehet kismértékű, periodikus és átmeneti következménye. Mivel nagyon gyenge hatásról van szó, a gravitációs hullámok kimutatására használt első interferométer, a LIGO karjait 4 km hosszúságúra tervezték, s a karokban két, egymásra merőleges irányba futó fényjel 400- szor pattogott oda-vissza, amíg interferenciára lépett. Azaz ily módon a rendszer olyan, mintha 1600 km-esek lennének a karjai. A LIGO rendszere is úgy van beállítva, hogy ha nincs zavar a téridőben, nem érkezik gravitációs hullám, a két merőleges fényjel maradéktalanul kioltja egymást. A gravitációs hullámok sikeres észlelését a kioltás elmaradása jelenti. A LIGO karjaiban az emberiség által addig előállított legtökéletesebb légüres teret hozták létre, s ebben fut és verődik vissza 400-szor a két nagyenergiájú lézer nyaláb, mielőtt interferenciára lép. A mérés egyik legnagyobb nehézsége a zavaró jelek kiküszöbölése. Hiszen a rendszert egy közelben elhaladó ember léptei is megzavarhatják. A téves észlelések elkerülése érdekében a LIGO projekt keretében eleve két interferométert telepítettek, kb. 3000 km-re egymástól, az USA két távoli államába. A sikeres észleléshez tehát a két interferométer együttes és egyidejű jelzése kellett. A gravitációs hullámok másmás szögben érkeznek az interferométer karjaihoz, a karok helyzetének függvényében. így az észlelt jelek segítségével megállapítható, hogy milyen irányba esik a jel forrása, az Univerzum mely sarkában történt az a hatalmas kozmikus katasztrófa, a fekete-lyukak összeütközése, mely a hullámokat kiváltotta. Ha a hagyományos távcsöves észlelés segítségével meg tudjuk jósolni az ilyen nagyléptékű gravitációs összeomlások helyét, akkor fel tudjuk készíteni gravitációs hullám detektorainkat a hullámok érkezésére. A projekten számos ország kutatói dolgoztak és dolgoznak ma is. Közel ezren, köztük magyarok, részben Magyarországon, illetve az Egyesült Államokban. De vajon Einstein általános relativitáselméletének újabb igazolásán túl mennyiben jelent egészen új perspektívát a Világegyetem megismerése szempontjából a LIGO projekt? Milyen továbblépés várható a gravitációs hullámok kutatásában? Ezekkel a kérdésekkel a következő számunkban foglalkozunk. Véget ért az Opportunity marsjáró robot küldetése MTI-HÍR Véget ért az Opportunity marsjáré robot küldetése - jelentette be az amerikai űrkutatási hivatal (NASA) sajtóértekezleten, Washingtonban. A NASA az „egyik legsikeresebb és legtartósabb bolygóközi kutatásnak” minősítette az Opportunity küldetését, kiemelve, hogy csaknem 15 éven keresztül kutatta a Mars felszínét és alapvető fontosságú munkát végezve hozzájárult ahhoz, hogy a hivatal „visszatérhessen a vörös bolyóra”. „Az Opportunityéhoz hasonló úttörő küldetéseknek köszönhetően jön majd el egyszer az a nap, amikor kiváló űrhajósaink a Marson lépkedhetnek majd” - fogalmazott a sajtókonferencián Jim Bridenstine, a NASA vezetője. Hozzátette, hogy ezekben az első lépésekben majd az Opportunityt megalkotó nők és férfiak munkáj a is benne lesz. A marsjáró robot hét hónappal a felbocsátása után, 2004 januárjában landolt a vörös bolygón, és értékes információkat küldött a földi központba: például arról, hogy a Marson valaha víz volt, vagyis meglehettek az élet feltételei. A szerkezet hematitot, a víz kialakulásához szükséges ásványt talált, és a vörös bolygó egyik kráterében arra utaló nyomokra lelt, amelyek szerint a földi tavakhoz hasonló, ivóvizet tartalmazó kis tó is lehetett ott. Küldött a Földre 217 ezer fotót, köztük színes panorámaképeket és közelről megmutatta a Mars 57 szikláját, amelynek nyomán a kutatók új ásványi felszíneket azonosíthattak be. A NASA az „egyik legsikeresebb és legtartósabb bolygóközi kutatásnak" minősítette az Opportunity küldetését (Fotó: Wikipedia) Tavaly júniusban azonban a 174 kilogrammos, hatkerekű marsjáró erős porviharba került, és mivel a vihar megakadályozta a robot napenergiával működő elemeinek feltöltődését, a szerkezet elnémult. Az űrjáró a vihar után sem küldött jeleket, és a NASA szerdán még egy utolsó kísérletet tett a kapcsolatfelvételre. John Callas, az expedíciók projektvezetője a sajtóértekezleten elmondta, hogy „minden észszerű mérnöki erőfeszítést” megtettek, hogy újra kapcsolatba léphessenek a robottal, de végül úgy döntöttek, a túlságosan csekély esély miatt végleg felhagynak a próbálkozással. Ezzel „halottnak” nyilvánították az Opportunityt. A sajtóértekezleten kiemelték azt is, hogy a Mars kutatása nem zárul le, a NASA InSight nevűűrszondája2018. november 2- án szállt le a bolygón. Hogyan észleljük a gravitációs hullámokat? 101
