Fekete lyukak nyomában

Gravitációs hullámok detektálása az űrben – a LISA program

2015 szeptemberében sikerült először gravitációs hullámokat detektálni, egyelőre itt a Földön. Mire azonban a felfedezést bejelentették, már működési helyére érkezett az Európai Űrügynökség (European Space Agency, ESA) LISA Pathfinder űrszondája. Azóta küldetése véget is ért, de mint a neve jelzi, csak előfutára volt egy nagyszabású, a gravitációs hullámok rendszeres észlelését végző űrobszervatórium létrehozásának.

A gravitációs hullámok a téridő szerkezetének periodikus, hullámként fénysebességgel tovaterjedő változásai, amelyek létezése Einstein általános relativitáselméletéből következik. Kimutatásukra az elmúlt évtizedekben számos próbálkozás történt, és mire a földi erőfeszítéseket siker koronázta, addigra már startra készen állt az Európai Űrügynökség LISA Pathfinder űrszondája, a majdani, a gravitációs hullámok űrbeli kimutatására tervezett LISA (Laser Interferometer Space Antenna) Obszervatórium technológiai előfutára.

A gravitációs hullámok kimutatása az űrben meglehetősen egyszerű – elvben legalábbis. Elég, ha egymástól bizonyos távolságra elhelyezünk két próbatestet, amelyek tökéletes pontossággal tehetetlenségi pályán mozognak, és folyamatosan mérjük a távolságukat. Ha gravitációs hullámok áthaladása következtében a próbatestek között megváltozik a téridő szerkezete, akkor ezt a testek egymáshoz képest fellépő elmozdulásaként észleljük. Amilyen egyszerű azonban a mérés elve, olyan méréstechnikai kihívásokat jelent a kivitelezése – a tökéletes tehetetlenségi pálya létrehozása éppúgy, mint a megfelelő pontosságú távolságmérés. E technológiák kipróbálására készítették el a LISA Pathfinder szondát.

A LISA Pathfinder

A LISA Pathfinder fejlesztése 2004-ben kezdődött, elkészítésében 14 európai ország és az Egyesült Államok több mint 40 cége és kutatóintézete vett részt, a munka fővállalkozója az Airbus Defence & Space egyik részlege volt. Az űrszonda tudományos modulja egy 231 cm átmérőjű, 96 cm magas, sokszög alapú hasáb, amelyhez hajtóműegység kapcsolódott, utóbbit azonban a végleges működési hely elérésekor leválasztották. A szonda energiaellátásáról a tetejét borító napelemek gondoskodtak, amelyek egyúttal védték az érzékeny műszereket a Nap közvetlen sugárzásától.

A LISA Pathfinder „lelke” a két, 46 mm élhosszúságú arany-platina kocka, amelyek egymástól 38 cm távolságban szabadon lebegnek. Helyzetüket folyamatosan lézersugarakkal mérik. Az űrszonda mikrohajtóművei gondoskodnak arról, hogy pontosan tehetetlenségi pályán mozogjanak. (ESA/ATG medialab)

Az üzemanyaggal együtt 1910 kg tömegű LISA Pathfindert 2015. december 3-án a francia guyanai Kourou-ban működő Európai Űrközpontból állították Föld körüli pályára. Innen saját hajtóművével 2016. január végére jutott el a Nap–Föld-rendszer L1 gravitációsan stabil Lagrange-pontjába, ahol a Földtől a Nap irányában mintegy 1,5 millió km-re lévő pont körül keringve 2016. március 1-jén kezdte meg mérési programja végrehajtását. Az L1 pontot termikus és gravitációs stabilitása miatt választották. Végül több mint egyéves sikeres működés után, 2017. július 18-án kapcsolták ki a szonda berendezéseit.

Az egyik feladat tehát a próbatestek tökéletes tehetetlenségi pályájának biztosítása volt. Ehhez minden külső hatást semlegesíteni kellett, így például a Nap sugárnyomása, a napszél hatása vagy a mikrometeoritok becsapódása okozta elmozdulásokat. Az űrszonda felépítménye minden külső hatástól megvédte a próbatesteket, így azok tényleges tehetetlenségi pályán mozogtak (az L1 pont, illetve a Nap körül). A külső hatások az űreszköz testét érték, ezért az elmozdulhatott, elfordulhatott a próbatestekhez képest, miközben azok zavartalanul folytatták mozgásukat tehetetlenségi pályájukon. Az eredeti helyzet fenntartása érdekében (nehogy pl. a szonda testének sebességváltozása miatt a belsejében kialakított üregben lévő próbatestek nekiütközzenek az üreg falának) folyamatosan korrigálni kellett a külső hatásokat. Ezt olyan pontossággal tudták megvalósítani, hogy az ESA szakembereinek becslése szerint a LISA Pathfinder helyzete tízezerszer stabilabb volt, mint bármely korábbi tudományos űreszközé. A korrekciókhoz a szonda külső felületén három csoportban elhelyezett, mikronewton nagyságrendű (1–100 milliomod newton) tolóerőt kifejtő, hideg nitrogéngázzal működő fúvókákat használták, amelyeket a rendszert vezérlő számítógép akár másodpercenként tízszer is ki- és bekapcsolhatott.

Így tudták elérni, hogy a próbatesteket függetlenítsék a külső hatásoktól. A két próbatest mindegyike 46 mm élhosszúságú, 1,96 kg tömegű fémkocka volt, amelyek 73% arany és 27% platina összetételű ötvözetből készültek. A két próbatestet 2016. február 15-én, illetve 16-án, vagyis csak az L1 pont elérése után eresztették szabadon. Az egyik kockát tekintették „főkockának”, ehhez képest vezérelték a szonda mozgását, a mikrohajtóműves korrekciókat. A két kockát egymástól 38 cm-re helyezték el, és lézeres interferométerrel mérték a távolságukat.

A Vega rakéta orr-részét a benne lévő LISA Pathfinder űrszondával 2015. november 18-án a francia guyanai Kourou-ban a villámhárító tornyok között az indítóállás fölött álló, szerelőcsarnokként szolgáló épületbe szállították (ESA – Manuel Pedoussaut, 2015)

A mérések eredménye szerint a fémkockák a vártnál ötször pontosabban együtt mozogtak. Az egymáshoz viszonyított gyorsulásuk a 0,7–20 millihertz közötti frekvenciatartományban kisebb volt a földfelszíni nehézségi gyorsulás (g) 10–15 részénél (10–15 g, femto-g). A mérések pontosságára jellemző, hogy az 1–60 mHz közötti frekvenciákon a kockák felületéről visszapattanó gázmolekulák hatása szab határt a pontosságnak (a kockák vákuumban vannak ugyan, de a vákuum soha nem tökéletes). A mHz-nél is kisebb frekvenciákon kimutatták a LISA Pathfinder enyhén elliptikus pályájából és a szonda helyzetét stabilizáló csillagérzékelők működéséből eredő zavarokat. A két próbatest távolságát eredetileg a pikométeres (10–12 m) tartományban akarták mérni, valójában sikerült a pontosságot a femtométeres tartományig (10–15 m) fokozni (összehasonlításképpen: a proton sugara kb. 0,85 femtométer). Érdekesség, hogy a szonda működése utolsó hónapjaiban a műszerek rendkívüli érzékenységét kihasználva mikrometeoritok becsapódását vizsgálták, hogy feltérképezzék az L1 pont környezetében a kisbolygók és az üstökösök porlásából származó mikrometeoritok eloszlását.

A LISA három szondája

A technológiai előkísérletnek szánt LISA Pathfinder teljes sikere megnyitotta az utat a gravitációs hullámok kimutatására alkalmas LISA program megvalósítása előtt. A LISA első tervét már 2000-ben elfogadta az ESA, de akkor még a NASA-val közös küldetéstől volt szó. Később a koncepciót többször elvetették és újra elfogadták, módosították. Végül 2013-ban az ESA elfogadta, hogy „Cosmic Vision” nevű programjának harmadik nagy űrszondája (L3) a gravitációs univerzumot kutassa. A benyújtott javaslatok alapján és a Pathfinder sikere nyomán 2017 júniusában döntöttek véglegesen a LISA megvalósítása mellett.

A LISA Pathfinder sikere és az ESA döntése után a NASA mégis csatlakozik a projekthez. Úgy tűnik, hogy – részben a LIGO-nak is dolgozó szakértőkre támaszkodva – az amerikaiak a LISA lézerberendezését fogják szállítani, amely a projekt költségének kb. egyharmadát teszi ki. Az L3 küldetés startját jelenleg 2034-re tervezik, de többen reménykednek abban, hogy már a 2020-as évtized legvégén, esetleg az L2-es küldetéssel együtt, egy hordozórakétán a LISA is elstartolhat.

Fantáziarajz a LISA Obszervatórium egyik űrszondájáról (AEI/Milde Marketing/Exozet)

A LISA űrszondái fizikailag ugyanolyan gravitációs hullámokat szeretnének detektálni, amilyeneket a földi LIGO és VIRGO rendszerekkel az elmúlt években már felfedeztek, és ugyancsak lézer-interferometrikus alapon. A LISA azonban sokkal alacsonyabb frekvenciákon fog működni (a LIGO a 10 hertz fölötti tartományban mér, ahol a szeizmikus eredetű rezgések már kevéssé zavarnak). Az űrbe telepített rendszer mentes mindazon földi eredetű zavaroktól, amelyek kiküszöbölése a földi detektorok esetében nehézséget vagy korlátot jelent. A LISA a 0,1 mHz – 1 Hz közötti frekvenciatartományban fog dolgozni, ami azért fontos előny, mert a nagyobb tömegű, erősebb források esetén a hullám frekvenciája alacsonyabb. Remélhető, hogy ennek köszönhetően olyan gyakorisággal lehet majd gravitációs hullámokat detektálni, ami lehetővé fogja tenni a mérési eredmények statisztikai értékelését és asztrofizikai alkalmazását.

A LISA rendszerben a próbatestek (szemben a Pathfinder 38 centiméterével) az előzetes tervek szerint 2,5 vagy 5 millió km-re helyezkednek majd el egymástól (a LIGO detektorban a karok hossza 4 km). A három űrszonda nagyjából a Föld pályáján, mintegy 20 fokkal (kb. 50 millió km-rel) bolygónk mögött fog keringeni az ekliptikával 0,33 fokos szöget bezáró pályán. A három szonda nagy távolsága lehetővé teszi az alacsony frekvenciájú gravitációs hullámok észlelését. Ugyanakkor a három szondából álló konstellációnak és a kölcsönös távolságméréseknek köszönhetően az erős források helyét ívperc pontossággal lehet majd meghatározni.

A LISA-val észlelt frekvenciatartományban a gravitációs hullámok öt típusának kimutatására számítanak. A kutatók remélik, hogy megfigyelhetővé válik a nagy tömegű (103–107 naptömegű) fekete lyukak spirális pályán egymás felé közeledése és összeolvadása, a csillagtömegű kompakt objektumok spirális pályán történő belehullása a galaxisok magjában található óriás fekete lyukakba, a kompakt objektumokból (fekete lyukak, neutroncsillagok) álló szoros kettősök viselkedése, valamint esetleg a gravitációshullám-háttér és a kozmológiai és/vagy asztrofizikai források (például szupernóva-robbanások) kitörésszerű jelenségei. A gravitációshullám-antennaként működő három szonda a nagy tömegű fekete lyukak keltette gravitációs hullámok esetében akár 50–1000 jel/zaj viszonyt is elérhet, ami már a forrást jellemző fizikai paraméterek meghatározását is lehetővé teszi.

A LISA Pathfinder méréseinek pontosságát jellemző görbék, vagyis a próbatestek korrekciók után megmaradt gyorsulása a frekvencia függvényében, a szonda működésének első két hónapjában végzett mérések alapján. Középen fent a fekete vonallal határolt, ék alakú terület a szondával szemben támasztott pontossági követelmény. Az alatta lévő, folytonos, fekete görbe a jövő űrobszervatóriumától elvárt pontosság. A szürke, piros és kék görbék a LISA Pathfinder tényleges mérési eredményei, amelyek legalább ötször pontosabbak a várakozásoknál. A szürke görbe 1 millihertz alatt a szonda pályájából és a csillagkövetők működéséből adódó centrifugális erő hatását mutatja. A piros görbe a centrifugális erő levonása után megmaradt gyorsulás, amelynek az eredetét még vizsgálják. Ugyancsak tisztázatlan a 70 millihertznél látható csúcs eredete. A görbe 1 és 60 millihertz közti részén a vákuumban megmaradt, a próbatesteknek ütköző gázmolekulák hatása korlátozza a mérés pontosságát. A 60 millihertznél nagyobb tartományban az optikai mérőrendszer tulajdonságai jelentik a korlátot. A piros görbén 0,02–0,2 Hz közt látható kiemelkedés a próbatestek beállításának pontatlanságából adódik, a kék görbe az ennek a hatásnak a levonása után megmaradt hiba. (ESA/LISA Pathfinder Collaboration)

E kiadvány készítésekor még csak reménykedhetünk abban, hogy mérhető magyar részvétellel valósul meg a program. Magyar asztrofizikusok és csillagászok már több olyan elméleti kutatási eredményt is publikáltak, amely hatással van a LISA terveire, kialakítására. Kocsis Bence, az ELTE doktorandusza – témavezetője az a Frei Zsolt volt, aki az ELTE LIGO-tagcsoportját is vezeti – kimutatta, hogy a LISA érzékenysége lehetővé fogja tenni a szupernagy tömegű fekete lyukak összeolvadási helyének meghatározását, sőt, kb. 7-10 nappal a tényleges összeolvadás előtt, még a bespirálozás szakaszában előre tudja majd jelezni a várható összeolvadást is. A LISA tervein ennek megfelelően úgy változtattak, hogy az az előrejelzéshez szükséges gyakorisággal – és ne csak ritkán – küldje a Földre mérési adatait. A témával foglalkozó magyar asztrofizikusok és űrcsillagászok bíznak abban, hogy megfelelő anyagi támogatás esetén a magyar űripar képes lesz olyan részegység előállítására, amely részét fogja képezni az űrbe kerülő szondáknak.

A kutatók remélik, hogy a megfigyelések nyomán pontosabb képet kaphatunk a nagy tömegű fekete lyukak keletkezéséről és növekedéséről, az őket körülvevő galaxisok viselkedéséről, a galaxismagok környezetében található csillagpopulációk dinamikájáról és sok más, nagy energiájú jelenségről. Végül, de nem utolsósorban, amint az a gyökeresen új észlelési technológiák bevezetésekor remélhető, esetleg a gravitációs hullámok előre nem látott forrásait is sikerül felfedezni. Minderre azonban még jó egy évtizedet kell várnunk.

A témához kapcsolódó cikkeink:

Ajánlott weboldalak:

© 2021 - Magyar Asztronautikai Társaság. Minden jog fenntartva.