A gravitációs hullámok eddig észlelt típusait az univerzumban zajló legintenzívebb események és objektumok hozzák létre: a szupernóva-robbanások, formálódó fekete lyukak, fehér törpék, neutroncsillagok, milliónyi naptömegű szupermasszív fekete lyukak és más speciális űrbeli források a kiindulópontjai a téridő oszcillációinak. A gravitációs hullámokat a téridő szakadásaként definiálják a kutatók, de valójában nem csak gigantikus erejű jelenségek alakíthatják ki, bármilyen gyorsuló test generál gravitációs hullámokat, csak ezek többsége olyan halvány, hogy a jelenleg rendelkezésre álló detektorokkal lehetetlen érzékelni őket. Márpedig a gravitációs hullámok felkutatása sok szempontból fontos célt jelent, általuk lehet például Einstein általános relativitáselméletét újabb módon bizonyítani.

Az első gravitációshullám-észlelésre még csak kilenc éve, 2015-ben került sor, de a detektorok fejlesztései és a hullámok felfedezésére tett erőfeszítések azóta is számos eredményt hoztak a területen. A 2015-ös felfedezést a LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, Lézer Interferométeres Gravitációs Hullám Obszervatórium) tette lehetővé, ami az egyik legfontosabb berendezés a gravitációshullám-kutatások szempontjából. A LIGO az Egyesült Államokban két helyszínen, Livingstone-ban és Hanfordban található laboratóriumokból áll, amelyek egymástól 3002 kilométerre, de együttes munkával dolgoznak a nyomok detektálásán.

A két berendezés rendkívüli érzékenységű, a környezeti vibrációk is nagyban hatnak rájuk, éppen ezért kell őket egymástól messzire helyezni:

ha közel lennénk, ugyanazokat a zajokat rögzítenék és nehéz lenne kiszűrni a rengeteg adat közül a keresett gravitációs hullámok nyomát. Mivel távol vannak egymástól, könnyebb a mindkét detektor által érzékelt jeleket megtalálni, és a kutatók ezek közül is csak azokat veszik figyelembe az adatok szűrése során, amelyek maximum 10 ezredmásodperc eltéréssel érkeznek be a LIGO egyik és másik részébe, mivel a gravitációs hullámok körülbelül fénysebességgel haladnak. A LIGO kialakításában nagyon hasonló az olasz Virgo és a japán KAGRA interferométerekhez, amelyek mindegyike két-két hosszú (több kilométeres) karból áll, amelyek egymásra merőlegesen nyúlnak ki és amelyekben egy közös forrásból induló lézersugár nyalábjai futnak végig, hogy visszatükröződjenek a karok végén lévő tükrökről, majd visszafelé haladva találkozzanak a kiindulópontnál.

A nyalábok interferenciája alapján tudnak a kutatók következtetni a gravitációs hullámok hatására.

A gravitációs hullámok a téridő oszcillációját idézik elő, így egy elhaladó gravitációs hullám jelenlétében a vele 'találkozó' lézernyaláb is más utat jár be: gyorsabban vagy lassabban ér vissza a karban tett útjáról. Ilyenkor a két sugárnyaláb nincs összhangban, kiesnek a szokásos szinkronból és az interferencia során nem oltják ki egymást, ezt felvillanó fények formájában tudják észlelni a kutatók.

A gravitációs hullámok mérése a LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés keretében folyamatosan fejlődik, egyre kifinomultabb optikai rendszerekkel, egyre érzékenyebb detektorokkal dolgoznak a szakértők, bár időnként nem várt hibák is becsúsznak, a KAGRA interferométer például a januári Noto földrengés során sérült meg jelentősen. De vajon képesek lennének a jelenleg rendelkezésre álló detektorok a gravitációs hullámok hosszú távú hatásainak érzékelésére is?

Az úgynevezett gravitációshullám-memória a gravitációs hullámok által okozott változás, ami örökre (vagy legalábbis nagyon hosszú időre) szóló lenyomatot képez az univerzum struktúrájában. A nehezen megfogható jelenség a teóriák szerint olyan extrémen halvány, hogy csak a legnagyobb érzékenységű eszközökkel lehetséges felkutatni - azokkal a detektorokkal, amelyek még meg sem épültek, csak a jövőben állnak majd rendelkezésre a kutatásokhoz. A Knoxville Tennessee Egyetem munkatársai azonban most felfedezték egy működőképes módját annak, hogy a gravitációshullám-memóriát megtalálják a jelenlegi detektorok segítségével, egy újfajta módszert alkalmazva. A kutatók három különböző erősségű szupernóva-robbanás által generált gravitációs hullámok jeleit elemezték, és arra jutottak, hogy az így kialakuló gravitációshullám-memória (amit a robbanás következtében kiinduló aszimmetrikus neutrínó-kibocsátás hoz létre) észlelhető a LIGO-Virgo-KAGRA együttműködés detektoraival, csak arra van szükség, hogy az adatokat két módszer eddig nem alkalmazott kombinációjával elemezzék. Ilyen módon, a szimulációk eredményei szerint, a hosszabb távú memóriaeffektus különválasztható az átmeneti gravitációshullám-jelektől.

"A gravitációshullám-memória az általános relativitáselmélet egyik fontos előrejelzése, ami még megerősítésre vár."

- magyarázzák a szerzők a december 5-én publikált tanulmányban. Az új technikával a téridő változása és a szupernóva-robbanások hatása is alaposabban feltérképezhető a kutatók elmondása szerint.

(Fotó: ICRR, University of Tokyo/LIGO Lab/Caltech/MIT/Virgo Collaboration, LIGO)

Új ablak nyílik az univerzumra az Einstein-teleszkóppal, ami ezerszer több gravitációs hullámot észlel elődeinél Magyar kutatók müondetektoraival végzett vizsgálatok is szerepet játszanak annak eldöntésében, hol épüljön fel a gravitációshullám-jeleket detektáló Einstein-teleszkóp.