Október végén tették közzé az ArXiv online archívumban annak a 39 eseménynek az osztályozását és végleges elemzését, melyeket a Virgo és a LIGO detektor észlelt a harmadik  megfigyelési időszak első felében, ami 2019. áprilisától októberéig tartott. Az események többségét feketelyuk-összeolvadások teszik ki. Ezek közül némelyik forrás fizikai jellemzői megkérdőjeleznek egyes, széles körben elfogadott asztrofizikai modelleket, és új lehetséges magyarázatokat sugallnak. Emellett egy esetben neutroncsillagok összeolvadását, két esetben pedig feltételezhetően „vegyes” rendszerek – azaz neutroncsillagból és fekete lyukból álló kettős rendszerek – ütközését mutatták ki.


A Virgo Együttműködés és a LIGO Tudományos Együttműködés kutatóinak egy évnyi munkájára és komplex elemzésére volt szükség ahhoz, hogy befejezzék az összes olyan gravitációshullám-jel tanulmányozását, amelyeket az Európai Gravitációs Obszervatórium által Olaszországban működtetett Virgo interferométer, illetve a két, Egyesült Államokban üzemelő LIGO detektor rögzített 2019. április 1. és október 1. között, az úgynevezett „O3a” adatgyűjtési időszakban. Az események között szerepelt 36 összeolvadó feketelyuk-kettős, egy valószínűleg két neutroncsillagból álló rendszer összeolvadása, továbbá két, feltételezhetően „vegyes” rendszer is – ez utóbbiak egy fekete lyukból és egy neutroncsillagból állnak. Ugyan ezek közül négy „kivételes esemény” felfedezését már korábban bejelentették, a nemrégiben kiadott katalógus most első ízben nyújt teljes képet a rendkívül sok megfigyelt gravitációshullám-jelről és azok forrásairól. A katalógus számos olyan, a fekete lyukak fizikájára vonatkozó adatot és megfigyelést tartalmaz, amelyek néhány évvel ezelőttig aligha lettek volna elképzelhetők.

„A 2017 augusztusában véget érő »O2« megfigyelési időszak óta rengeteg erőfeszítést tettünk annak érdekében, hogy a detektor számos műszaki komponensének és különböző részeinek a korszerűsítésével a teljes frekvenciatartományban növeljük a Virgo érzékenységét” – mondta Ilaria Nardecchia, a római Tor Vergata Egyetem kutatója, a Virgo Együttműködés tagja. –„Learattuk a munkánk gyümölcsét, hiszen megdupláztuk a detektor érzékenységét!”

A három detektor érzékenysége valóban jelentősen megnőtt 2017 szeptembere és 2019 áprilisa között. Ennek egyik eredménye, hogy a Virgo immár közel tízszer akkora térfogatot képes tanulmányozni az Univerzumból, mint az előző megfigyelési időszak (O2) során.

„Az Advanced Virgo és a LIGO megfigyelései felülmúlták a várakozásainkat. Amellett, hogy új és izgalmas szakaszba léptünk az Univerzum megfigyelésének történetében, immár olyan eseményeket láthatunk, amelyekre eddig nem volt megfigyelési bizonyíték, vagy túlmutattak a csillagfejlődéssel kapcsolatos jelenlegi ismereteinken” – mondta Ed Porter, a CNRS francia állami kutatóhálózat párizsi APC Laboratóriumának (AstroParticule & Cosmologie) tudományos főmunkatársa, a Virgo Együttműködés tagja. – „Mindössze öt évvel a gravitációs hullámok első észlelése után kijelenthetjük, hogy a gravitációs csillagászat mára kézzelfogható valósággá vált.”

A gravitációs jelek észlelése révén első alkalommal válik lehetővé számunkra, hogy alaposabban is megfigyeljük a fekete lyukak, illetve neutroncsillagok rendkívüli összeolvadásának a lefolyását. Az ilyen összeolvadás során több naptömegnek megfelelő energiát sugároznak szét az égitestek gravitációs hullámok formájában. A korábbiakkal ellentétben ezek a folyamatok végre lehetővé teszik a fekete lyukak fizikájának, illetve az ezeket létrehozó kozmikus jelenségeknek, sőt a legnagyobb feketelyuk-populációk jellemzőinek a tanulmányozását is. Valójában azonban az új katalógus eredményei komoly kérdéseket vetnek fel néhány, eddig tökéletesen hitelesnek hitt asztrofizikai forgatókönyv és modell érvényességével kapcsolatban.

Különösen az O3a katalógusban bemutatott fekete lyukak tömege kérdőjelezi meg a feketelyuk-populációk tömegtartományára vonatkozó különböző elméleti és megfigyelési korlátokat. Néhány megfigyelés például éppen a csillagászok által eddig megfigyelt legnehezebb neutroncsillagok és legkönnyebb fekete lyukak közötti tartományban jelzi kompakt csillagok jelenlétét (amelyek lehetnek fekete lyukak vagy neutroncsillagok is). Ezért aztán ez a tartomány a jövőben lényegesen szűkülhet, vagy akár el is tűnhet. Más megfigyelt fekete lyukak tömege 65 és 120 naptömeg közé tehető, azaz a csillagfejlődési modellek által eddig „tiltott” tartományba esik. E modellek alapján a nagyon nagy tömegű csillagokat egy bizonyos határon túl a szupernóva-robbanás a pár-instabilitásnak nevezett folyamat következtében teljesen szétszakítja, így csak gáz és kozmikus por marad utánuk. Az a tény azonban, hogy a pár-instabilitás által meg nem engedett tartományban is találni fekete lyukakat, arra utal, hogy a fekete lyukak másféle mechanizmusok révén alakulnak ki – például kisebb fekete lyukak összeolvadása, vagy hatalmas csillagok ütközése révén –, de azt is jelezheti, hogy felül kell vizsgálnunk a csillagok életének utolsó szakaszára vonatkozó eddigi elképzeléseinket.

Az O3a katalógus kiadása egy olyan összetett, több fázisból álló munkának az eredménye, amely a detektorok kalibrálására, az adatok jellemzésére és elemzésére is kiterjed. Az egyes megfigyelési időszakok katalógusai kizárólag a végleges, hitelesített adatkészlet elkészülése után jelennek meg, mert csak így lehet meghatározni a feketelyuk- , illetve neutroncsillag-ütközések fizikai paramétereit (például távolság, tömeg és forgás), és biztos becsléseket tenni a hibahatárokra vonatkozóan. A legfrissebb katalógusban bemutatott 39 esemény közül 26-ot az észlelést követően azonnal közzétettek, míg 13-ról ez a publikáció számol be először. Ezek az események a LIGO és a Virgo korábbi, „O1” és „O2” megfigyelési időszakaiban észlelt 11 eseményt egészítik ki. A LIGO-Virgo eseménykatalógus mellett további három további cikk is megjelent az ArXiv online archívumban a gravitációshullám-források asztrofizikai tulajdonságainak elemzéséről, az általános relativitáselmélet új tesztjeiről, valamint a gamma-kitörésekkel egybeeső gravitációshullám-jelek kereséséről.

„Ezek a cikkek nagyon fontosak, és további előrelépést jelentenek egy hosszú és izgalmas utazásban” – mondta Giovanni Losurdo, az INFN kutatója, a Virgo Együttműködés szóvivője. – „Már alig várjuk a harmadik megfigyelési időszak második részének (O3b) eredményeit. Az elemzésre váró események magas száma azt ígéri, hogy a következő katalógus ugyanolyan izgalmas lesz, ha nem izgalmasabb, mint a mostani. Eközben törekszünk a Virgo detektor fejlesztésére is, annak érdekében, hogy a következő, 2022-es megfigyeléseket újfent jelentősen javított érzékenységgel végezhessük.”

A fenti eredmények az ELKH Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai számára is igen nagy jelentőséggel bírnak. – „Néhány megfigyelés olyan kompakt csillagok jelenlétét mutatta ki, amelyeknek a tömege a csillagászati megfigyelések által eddig felfedezett legnehezebb neutroncsillagok és fekete lyukak közötti tartományba esik. A későbbi megfigyelések ezt a képet tovább fogják finomítani. A gravitációfizikai kutatások mellett a Wigner Fizikai Kutatóközpont számos kutatója foglalkozik nagyenergiás fizikával. Ezért a szokatlanul nagy tömegű neutroncsillagok lehetősége igen fontos lehet a rendkívül sűrű anyagi fázisok, a kvarkanyag és a hadronanyag vizsgálatával kapcsolatban is” – mondta Barta Dániel, a Wigner FK kutatója, a Virgo Együttműködés tagja.

Lakossági tudományos projektek a gravitációs hullámok adatelemzésére

Két lakossági tudományos projekt révén – a Gravity Spy a LIGO-hoz, az európai REINFORCE pedig a Virgóhoz kapcsolódik – a három interferométer adatainak elemzésében részt vevő kutatókkal együttműködve bárki hozzájárulhat a hamis jelek azonosításához, ezáltal új gravitációshullám-jelek felfedezéséhez.

Noha a külső és a belső zajforrásokat igyekeznek a minimálisra csökkenteni, mégis vegyül némi zaj a detektorok adataiba. Bizonyos esetekben ezeket környezeti szenzorok figyelik, és valós időben kivonják az adatokból. Más zajok azonosítása azonban nehezebb, mert kimutatásuk célzott elemzést igényel utólag. Ugyanez a helyzet azokkal a csillogásból eredő zajokkal is, amelyeket például a lézersugár szórt fénye okoz. A valódi gravitációshullám-jeleket csakis részletes elemzésekkel lehet igazolni, ezért értesíti azonnal a LIGO és a Virgo Együttműködés a tudományos közösséget egy-egy vélt eseményről, nem sokkal a megfigyelés után. Ennek révén az utólagos elemzés vagy megerősíti az észlelést – így az valós jelnek tekinthető –, vagy pedig nem. A Gravity Spy és a REINFORCE jóvoltából a LIGO és a Virgo detektorok adataihoz való közvetlen hozzáféréssel bárki segítheti a kutatókat ebben a komplex elemzési munkában.

Forrás: https://www.virgo-gw.eu/