A gravitációt, pontosabban a gravitációs hullámokat kutató magyar fizikusok álmai szerint a Mátra alatt valósulhat meg a világ egyik legizgalmasabb tudományos projektje, az Einstein-teleszkóp (ET). Mintegy 400 méteres mélységben három – egyenként 10 kilométeres hosszúságú – alagút épülne, ezek alkotnák a szerkezet alapstruktúráját.

Az Einstein-teleszkóp megvalósításáról nemrégiben a Magyar Tudományos Akadémia épületében rendeztek nemzetközi konferenciát. A 400 méteres mélységben épülő alagutak, amelyekben a hatalmas térigényű berendezések helyet kapnának, háromszög alakban létesülnének. Mindegyik 10 kilométer hosszú és ötméteres átmérőjű lenne. Az alagutak oldalai egyenlő háromszöget feszítenének ki. A tervek izgalmasak, a megvalósulás azonban akár évtizedeket vehet igénybe.

Külföldi és hazai fizikusok jelenleg is nagy erőkkel dolgoznak azon, hogy közvetlen bizonyítékot találjanak az úgynevezett gravitációs hullámok létezésére. 1975-ben fedezte fel ugyanis az azóta Nobel-díjat kapott Russell Hulse és Joseph Taylor azt a neutroncsillagokból álló kettőst, amely mozgása során energiát és tömeget veszít – pontosan úgy, ahogyan azt Einstein elmélete megjósolta. Ez a közvetett bizonyíték a gravitációs hullámok létezésére, mivel az energia ilyen hullámok formájában távozik a távoli kettős rendszerből.

Még nem oldottak meg mindent

A tudósok most azon dolgoznak, hogy befogják ezeket az elméletileg már igazolt, a természetben pedig közvetetten megfigyelt hullámokat.

A Virgo nevű létesítmény, amellyel jelenleg is kutatják a gravitációs hullámokat Fotó: KFKI RMKI

Rácz István, az MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetének gravitációelméleti osztályvezetője szerint mára érte el az emberiség technikai fejlettsége azt a szintet, hogy esélyünk lehessen a gravitációs hullámok első direkt detektálására. A tudósok számításai szerint a detektorok által észlelhető nagyságrendű gravitációs hullámok akkor keletkeznek, ha például – a bevezetőben már említett – két óriási tömegű neutroncsillag összeolvad. Ez azt jelenti, hogy az összeolvadás előtt az óriási tömegek akár másodpercenként ezerszer is megpördülnek egymás körül, és ez a folyamat 300 kilométeres hullámhosszú hullámokat vet – magyarázta a hvg.hu-nak Rácz István. Az ilyen hullámok észlelésére a Földön élő emberek érzékszervei alkalmatlanok – tette hozzá a kutató.

Három generáció

Lapunk kérdésére a Franciaországból érkezett Jacques Colas professzor, az Európai Gravitációs Obszervatórium igazgatója elmondta: eddig ugyan még senkinek nem sikerült gravitációs hullámokat észlelnie, de arra már vannak eljárások, hogyan lehet detektálni azokat. Ezek az eljárások a lézer-interferometria módszereit használják fel. Ezek lényege az, hogy a lézersugár fázisában eltolódások jönnek létre, amikor gravitációs hullám halad át a nagyméretű detektorokon. (Azért is terveznek minden eddiginél nagyobb mérőeszközöket a fizikusok, hogy a parányi fáziseltolódásokat minél pontosabban tudják kimutatni.)

A jelenlegi, úgynevezett elsőgenerációs detektorok igazolták a mérési elv helyességét. Colas professzor ennek kapcsán elmondta, hogy a következő 5-6 évben végrehajtott fejlesztésekkel második generációs detektorok készülnek. Ezektől várják az első közvetlen bizonyítékokat a gravitációs hullámok létezésére. A bevezetőben említett Einstein-teleszkóp (ET) már a harmadik generációt jelentené. Ez nemcsak a gravitációs hullámok észlelésére, hanem precíziós csillagászati megfigyelések végrehajtására is alkalmas lesz. A döntés az építkezés megkezdéséről 2017 körül várható, míg a detektor tudományos adatgyűjtése 2025 körül indulhat el – beszélt a tervekről Rácz István a hvg.hu-nak.

Öt évtizeden át működne

Ezután öt évtizeden keresztül végezne tudományos vizsgálatokat az Einstein-teleszkóp, így egy tartósan működő tudásközpont és tudományos-technológiai bázis jöhet létre a leendő beruházás helyszínén. Ez különösen nagy lehetőség lenne Rácz szerint Magyarország számára. Ha ugyanis sikerülne idecsábítani a projektet, akkor a mérnöki, fizikai tudás csúcstechnológiái mellett bánya- és építőipari, vákuumtechnológiai és szeizmológiai szempontból is fontos fejlesztések jelennének meg itt. A detektor megépítésekor ugyanis ezek az iparágak nagy szerepet kapnának.

Hogyan működne az Einstein-teleszkóp?

Hogy miért a Mátrában tervezik ezt a nagy tudományos beruházást? Rácz István szerint a terület természeti adottságai kiválóak abból a szempontból, hogy különösen alacsony „szeizmikus zaj” jellemzi a területet. Ez azt jelenti, hogy a Mátra egy gigantikus geológiai lengéscsillapítón helyezkedik el. A gravitációs hullámok – elsősorban az alacsonyfrekvenciás részek - észleléséhez ugyanis a lehető leginkább rezgésmentes környezetet kell teremteni. Ami a konkrétumokat illeti, Gyöngyösoroszi térségében a korábbi ércbányák bejáratai alkalmasak arra, hogy ne a mélyben kelljen kiásni az alagutakat a gravitációs teleszkóphoz, hanem vízszintesen haladjanak a járatok, körülbelül 400 méteres tengerszint fölötti magasságban – mondta Rácz István. Ugyanakkor a Mátra nem az egyetlen európai lehetséges helyszíne az Einstein Teleszkópnak, a németországi Fekete-erdő, az olaszországi Szardínia szigete és ezeken kívül a Pireneusok is felmerültek. A Budapesten zajló konferencia egyik legfőbb magyar vonatkozású eredménye Rácz szerint az volt, hogy a Mátrát a legjobb három helyszín közé sorolták.

Mire jók a gravitációs hullámok?

Az emberiség történetében az összes eddigi csillagászati észlelés az elektromágneses hullámok érzékelésén alapult. Elektromágneses hullám egyébként maga a fény is, amit az ember is képes érzékelni. A fényhez hasonló elektromágneses sugárzás a röntgen- és a gammasugárzás is. Ezek szintén használhatók képalkotásra – de nem az emberi agy számára, hanem a röntgen- és gammateleszkópokban.

A gravitációs teleszkóp egészen más elven működne. Nem elektromágneses, hanem gravitációs hullámokat észlelne. Utóbbiak természete egészen más ugyanis, mint az elektromágneses hullámoké. Az elektromágneses jelek általában a források felületéről hordoznak információt, a gravitációs hullámok viszont a belső folyamatokról is. Ez azt jelenti, hogy távoli csillagok képét – amelyet eddig csak a fény- vagy a röntgen- és gamma-sugárzásból vázolták fel a tudósok –, majd kiegészíthetjük a belsejükről kapott információkkal. (Ez a belső dinamikai folyamatokat jelenti, hiszen gyorsuló, nem szimmetrikusok mozgások esetén keletkeznek gravitációs hullámok. Sajnos ezek a hullámok általában éppen akkora kiterjedésűek, mint a kibocsátó objektum. Ez pedig azt jelenti, hogy az észlelésük az eddigi kisméretű mérőműszerekkel igencsak nehézkes.)

A gravitációs hullámokat az einsteini relativitáselméletből lehet kikövetkeztetni, akárcsak az elektromágnes hullámok létezését is a Maxwell-egyenletekből vezették le - mondta Lévai Péter akadémikus, a Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet igazgató-helyettese a mai kutatások analógiájáról. (Maxwell maga már következtetett differenciálegyenleteiből az elektromágneses hullámok létezésére, de csak egy 1888-as kísérletében bizonyította e hullámok létezését Heinrich Hertz.) Míg Hertz kísérleteihez – az elektromágneses hullámok keltéséhez és észleléséhez – elegendő volt egy szobaméretű laboratórium, addig a gravitációs hullámok keltéséhez csillagászati méretű objektumok és óriási detektorok, azaz észlelőberendezések szükségesek – mondta Rácz István.

Az MTA-elnök óvatos

Pálinkás József, a Magyar Tudományos Akadémia elnöke is megjelent azon a sajtótájékoztatón, amelyen a nemzetközi konferencia eredményeiről számoltak be. A tudósként fizikával foglalkozó Pálinkás elmondta, hogy izgalmas kérdés a gravitációs hullámok kutatása, és nagyon örülne, ha az Einstein Teleszkóp nálunk valósulna meg. Ugyanakkor emlékeztetett arra, hogy Magyarország korábban hiába próbált más nagy európai tudományos beruházásokat hazánkba vonzani, éppen ezért óvott attól, hogy túlzott várakozásokat támasszunk egy ilyen nagy projekttel kapcsolatban.

Colas professzor, az Európai Gravitációs Obszervatórium vezetője ugyanakkor hangsúlyozta, hogy az ET inkább a következő tudósgeneráció életre szóló projektje lehet, egyelőre a meglévő berendezések fejlesztésén, a hullámoknak legalább az észlelésén dolgoznak az európai kutatók.

Egy másik nagyon fontos magyar vonatkozású eredménye a konferenciának, hogy több akadémiai kutatóintézet és a nagyobb egyetemek munkatársaiból megalakult egy kutatócsoport. E csapat – egy nemzetközi konzorcium tagjaként – az ET-projekt megvalósítására és az ahhoz kapcsolódó közös kutatásokra egy európai uniós pályázatot adott be – tudtuk meg Rácz Istvántól, a kutatócsoport koordinátorától.

Szőkefalvi-Nagy Zoltán, a KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézetének (RMKI) igazgatója szerint az Einstein-teleszkóp esetleges Magyarországi elhelyezése kapcsán érdemes azt is felidézni, hogy a Mátra „szeizmikus nyugodtsága”, valamint a gravitációt kutató Eötvös Loránd tudományos munkássága mellett egy harmadik sziklára is épülhetnek a tervek. Az RMKI-ban a 2004-ben elhunyt Perjés Zoltán fizikus által négy évtizede elkezdett kutatásoknak köszönhetően a kutatók ma már jelentős tudományos szerepet vállalnak a működő európai Virgo gravitációshullám-detektor munkájában és annak fejlesztésében is.

hvg