Újraindul a gravitációs hullámok megfigyelése a LIGO és a Virgo detektorokkal
Jövő héten a LIGO és a Virgo detektorok folytatják megfigyelési programjukat, amely a jelenlegi megfigyelési időszak (O4) végére több mint 200 gravitációs hullámeseményt ígér. A csillagászok azt is remélik, hogy új, sokcsatornás eseményeket, azaz gravitációs és elektromágneses hullámokban egyaránt megfigyelhető eseményeket is észlelnek majd, amelyeket más teleszkópok tovább tudják majd nyomon követni.
A LIGO–Virgo–KAGRA kollaboráció április 10-én kezdi meg negyedik megfigyelési időszakának (O4b) második felét. Az európai Virgo detektor Olaszországban, Pisa közelében szintén csatlakozik a megfigyelési programhoz, és az Egyesült Államokban, a Washington állambeli Hanfordban és a Louisiana állambeli Livingstonban található két LIGO-interferométerrel együtt végez megfigyeléseket, amelyek a program első felét (O4a) 2023 májusa és 2024 januárja között hajtották végre. Az O4b a tervek szerint 2025 elejéig tart.
“A gravitációshullám-csillagászat a világegyetemünk megfigyelésének kulcsfontosságú módszerévé lépett elő. Ennek a megfigyeléssorozatnak az adataival jelentős mértékben hozzájárulunk ahhoz, hogy tovább szélesítsük látókörünket és ismereteinket az univerzum legsötétebb és leghevesebb régióiról” – mondta Patrick Brady, a LIGO Tudományos Együttműködés szóvivője.
“A gravitációshullám-obszervatóriumok úttörő jelentőségű projektek, és mint ilyenek, számos kihívással néznek szembe. Ma nagy örömmel csatlakozunk az új megfigyeléssorozathoz. A Virgo hozzájárulása döntő fontosságú lesz a sokcsatornás események hatékonyabb égi helyzetének meghatározásához, amelyeket várhatóan a megfigyelési időszak második szakaszában fogunk megtalálni” – nyilatkozta a Virgo szóvivője és az INFN kutatója, Gianluca Gemme.
A két LIGO-detektor 2023. május 24-én kezdte meg az O4-es programot, amely 2024. január 16-án karbantartás és frissítés miatt szünetelt. A Virgo 2023 májusában úgy döntött, hogy 2024-ig meghosszabbítja üzembehelyezési tevékenységét, hogy számos zajforrás hatását csökkentse. A Japánban található KAGRA detektor egy hónapra csatlakozott az O4a-hoz, mielőtt folytatta volna az üzemelését, és jelenleg igyekszik kiheverni 2024. január 1-jén a Noto-félszigeten (7,6-es erősségű, 120 km-re a KAGRA helyszínétől) kitört földrengés okozta károkat.
A gravitációshullám-csillagászat új szintre való emelése
Az O4 időszak a tervek szerint összesen 18 hónapig tart, az üzemelési szüneteket leszámítva. Csak az első hét és fél hónap alatt (O4a) a két LIGO-detektor összesen 81 igen valószínű gravitációshullám-eseményjelöltet azonosított, ami megfelel az előrejelzett 2-3 naponta várható észlelési rátának, azaz egy összeolvadás észlelésének. A megfigyelési időszak végére, 2025 februárjára, hasonló észlelési gyakoriság mellett a megfigyelt gravitációshullám-jelek száma meghaladhatja a 200-at.
Az O4a hatalmas mennyiségű adatának elemzése még folyamatban van, és a LIGO-Virgo-KAGRA Tudományos Együttműködés kutatói arra számítanak, hogy az O4 beváltja a hozzá fűzött reményeket, és a gravitációshullám-csillagászatot a magasabb szintre emeli.
A legjelentősebb asztrofizikai megfigyelések közül néhányat már a következő néhány hónapban be fognak jelenteni. A detektorok megnövekedett érzékenysége révén a tudósok tovább fejleszthetik Einstein általános relativitáselméletének tesztelésére és a lokális világegyetem halott csillagainak populációjának meghatározására vonatkozó képességüket.
Fejlődés a tudomány és a technológia terén
LIGO
A LIGO detektorok az O4a időszak végére tervezett karbantartás miatt felfüggesztették a megfigyeléseket. Az azóta eltelt időben a LIGO-Hanford és a LIGO-Livingston szakemberei keményen dolgoztak a detektorok finomhangolásán. Az egyik legnagyobb erőfeszítést a lézerfényt “összenyomó” optikai rendszerek továbbfejlesztése jelentette, ami lehetővé tette a LIGO detektorok számára, hogy meghaladják a kvantummechanika által előírt érzékenységi korlátokat. Emellett a 4 kilométeres karok végén lévő kísérleti termek számos vákuumkamrájában fellépő zajok forrásának felkutatására és megszüntetésére irányult a többi erőfeszítés. Ezek és más fejlesztési munkálatok biztosítják, hogy az O4a során tapasztalt érzékenység és megfigyelési idő növekedése – amely során a kettős neutroncsillagok észlelési tartománya nagyjából 140 Mpc-ről 160 Mpc fölé emelkedett – az O4b-ben és azon túl is folytatódni fog.
Virgo
„A tudományos és technológiai határterületeken, mint például egy gravitációshullám-detektor korszerűsítése és üzembe helyezése, a kihívásokkal való szembenézés szerves része a kutatásnak” – mondta Gianluca Gemme, a Virgo szóvivője és az INFN kutatója. “A jó hír az, hogy az üzembe helyezés hosszú időszaka és számos nehézség leküzdése után sikerült a detektor érzékenységét 60 Mpc-re növelnünk, ami megegyezik a Virgo által korábban elért legnagyobb értékekkel. Az érzékenység további növelésére irányuló munka a megfigyelési időszak alatt is tovább folytatódik.”
Jelenleg tehát a Virgo két neutroncsillag ” szokásos” összeolvadását 60 megaparszek (Mpc) távolságig, azaz a Földtől mintegy 220 millió fényév távolságig képes megfigyelni (természetesen a hevesebb vagy nagyobb tömegű események, mint például a fekete lyukak ütközése, az univerzum sokkal mélyebb részeiből is észlelhetőek).
KAGRA
A Japánban található KAGRA detektor, amely a kezdetektől fogva csatlakozni akart az O4b-hez, 2024 utolsó hónapjaiban csatlakozik a kísérlethez, miután helyreállították a Noto-félszigeten 2024. január 1-jén bekövetkezett földrengés (erősség: 7,6, 120 km-re a KAGRA helyszínétől) által a kísérlet több berendezésében okozott károkat. Annak ellenére, hogy a KAGRA alagútjában, vákuum- és kriogenikus rendszerében csak kisebb károk keletkeztek, 20 tükör felfüggesztő rendszeréből 9-et meg kell javítani, ami a korábbi tervhez képest legalább féléves késlekedést eredményez.
A KAGRA kutatói a lehető leghamarabb befejezik ezt a helyreállítási munkát, újra megkezdik az üzembehelyezést, majd csatlakoznak az O4b-hez, amelynek kettős neutroncsillagok megfigyelésére szolgáló hatótávolsága kb. 10 Mpc lesz.
A megfigyelési program tudományos céljai
Az elkövetkező hónapokban természetesen az a remény, hogy sikerül észlelni új “multimessenger” típusú eseményeket, amelyek elektromágneses nyomon követését a Földön vagy az űrben más teleszkópok is megfigyelhetik, mint például a nagy jelentőségű 2017. augusztus 17-i két neutroncsillag egyesülésének megfigyelése (GW170817).
A Virgo jelenléte komoly változást eredményezhet, és növelheti a hálózat tudományos teljesítményét az olyan rendkívüli égi események eredetének lokalizálásában mint például a neutroncsillagok egyesülése, egy fekete lyuk egyesülése neutroncsillaggal, vagy szupernóva-robbanások amelyet még soha nem figyeltek meg gravitációs hullámokon keresztül.
Emellett a legutóbbi megfigyelési körhöz képest a továbbfejlesztett műszerek, az új és még pontosabb jelmodellek, valamint a fejlettebb adatelemzési módszerek növelik annak esélyét, hogy az adatok elemzéséből más típusú gravitációs jelekre is fény derüljön. Az egyik ilyen lehet az úgynevezett folytonos gravitációs hullám, egy csaknem állandó és jól meghatározott frekvenciájú esemény, amelyet aszimmetrikus tömegeloszlással rendelkező, forgó neutroncsillagok (pulzárok) generálnak. Egy mindössze milliméter magas „hegy” a csillag felszínén is elég lehet egy ilyen esemény kiváltásához.
Az O4-ből származó új adatok segíthetnek bővíteni ismereteinket a primordiális gravitációs háttérről is, amely az Univerzum születésének legkorábbi szakaszában keletkező gravitációs hullámok véletlenszerű átfedéséből ered. Emellett arról a hasonló háttérről, amelyet a sok egyidejűleg hullámokat produkáló események okoznak, ú.m. kettős rendszerek egymásba spirálozása, kitörések vagy folyamatos jelek az egész Univerzumból. Egy ilyen sztochasztikus háttér eshetőségét, amelyet valószínűleg szupermasszív fekete lyuk kettősök okoznak, sikerült a közelmúltban közvetett módon észleni olyan rádióteleszkóp-tömbök segítségével, mint az EPTA, InPTA, NANOGrav, PPTA és CPTA.
A LIGO, a Virgo és a KAGRA számos kutatója intenzíven dolgozik az O4a-ban végzett, valamint a következő hónapokra tervezett megfigyelések elemzésén, hogy megtalálják a hasonló, ám jóval kisebb, csillagtömegű objektumok által keltett hátteret. A különböző területeken végzett számos kutatási tevékenység megoszlik a három együttműködés között, amelyet mindenki hozzájárulása tesz lehetővé.
A korábbi megfigyelésekhez hasonlóan, a lehetséges gravitációs hullám észlelések risztásait nyilvánosan közzéteszik az O4b során. A nyilvános figyelmeztetések fogadásával és értelmezésével kapcsolatos információk a https://wiki.gw-astronomy.org/OpenLVEM címen érhetők el.
Gravitációshullám-obszervatóriumok
A LIGO-t az NSF finanszírozza, valamint a Caltech és az MIT üzemelteti, amelyek megalkották és felépítették a projektet. Az Advanced LIGO projekt pénzügyi támogatását az NSF vezette, Németország (Max Planck Society), az Egyesült Királyság (Science and Technology Facilities Council) és Ausztrália (Australian Research Council) jelentős kötelezettségvállalássával és hozzájárulásával. A világ minden tájáról több mint 1600 tudós vesz részt az erőfeszítésben a LIGO Tudományos Együttműködésen keresztül, amely magában foglalja a GEO Együttműködést is. A további partnerek listája a http://ligo.org/partners.php oldalon található.
A Virgo együttműködés jelenleg körülbelül 880 tagból áll, 17 különböző (főleg európai) ország 152 intézményéből. Az Európai Gravitációs Obszervatórium (EGO) az olaszországi Pisa közelében található Virgo detektornak ad otthont, amelyet a francia Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), az olasz Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) és a holland National Institute for Subatomic Physics (Nikhef) finanszíroz. A Virgo együttműködés csoportjainak listája a következő címen található: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/. További információ elérhető a Virgo honlapján: https://www.virgo-gw.eu.
A KAGRA egy 3 km-es karhosszúságú lézeres interferométer Kamiokában, Gifuban, Japánban. A fogadó intézet a Tokiói Egyetem Kozmikus Sugárkutató Intézete (ICRR), a project társgazdája a Japán Nemzeti Csillagászati Obszervatórium (NAOJ) és a High Energy Accelerator Research Organisation (KEK). A KAGRA együttműködés több mint 400 tagból áll, 17 ország/régió 128 intézetéből. A KAGRA nagyközönségnek szóló információi a https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/ címen találhatók. A kutatók számára készült források a http://gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA webhelyen érhetők el.