A gravitációs hullámok segítségével felfedhetők az idegen űrhajók
Mennyit tudunk valójában arról, hogy mi minden létezik odakint a világegyetemben?
Képzeljünk el egy igen szokatlan dolgot. Ha például idegen civilizáció űrhajói repülnének a galaxisunkban olyan térhajtómű-technológiát használva, amilyet a sci-fi sorozatokban látunk, vajon az ilyen űrgépek milyen jelet bocsátanának ki? Talán meglepő, de egyes kutatások azt mutatják, hogy már léteznek olyan eszközök, hogy megválaszoljuk ezt a kérdést – függetlenül attól, hogy léteznek-e egyáltalán az említett földönkívüliek és a technológiájuk.
A világűrt vizsgáló távcsövek ma már szinte a megfigyelhető határáig ellátnak. Minden egyes új frekvencia, amelyet felfedeztünk – a gamma- és a röntgensugárzástól kezdve az infravörösön át a rádiózásig – valami új és váratlan dologra tanított bennünket.
2015-ben bekapcsoltak egy újfajta teleszkópot, a Ligo nevű detektor, amely nem fényhullámokat, hanem olyan gravitációs hullámokat keres, amelyek láthatatlan „hullámokként” vannak jelen a térben és az időben. A természet ismét meglepett minket – ezúttal egy GW150914 jelű jellel, amely kettős fekete lyuktól származik. A két fekete lyuk a Napnál körülbelül 30-szor volt nagyobb tömegű, és 1,4 milliárd fényévnyire tőlünk heves ütközéssel összeolvadtak.
Azóta a gravitációs hullámok új, alapvető eszközei lettek a világegyetemet kutató tudósok számára. De még mindig a felfedezések legelején járunk. Milyen jeleket láthatunk az adatokban, és vajon ezek megváltoztatják-e a kozmosz fizikájának megítélését?
Van azonban egy gyakorlatiasabb kérdés, amely gyakran figyelmen kívül marad – ha tényleg létezik „valami’ odakint, hogyan ismerjük fel?
A sci-fitől a komoly tudományig
A filmekben mindannyian láttunk már térhajtóművel mozgó űrhajókat. A térhajtómű, amely a világűrben haladó űrhajót a hagyományos módszereknél jelentősen gyorsabban juttatja célba a téridő szövetének meggörbítése által, először a Star Trek sorozatban tűnt fel. A koncepció lényege, ahogy azt Miguel Alcubierre, mexikói fizikus leírta, hogy a görbületi térhajtómű, melyet egy anyag-antianyag reaktor működtet, az űrhajó előtt lévő téridő anyagát összegyűri, a hajó mögött pedig kitágítja, így az a három dimenziós térből kiszabadulva átlép a hipertérbe, ahol a fénysebességnél gyorsabban képes haladni.
Bár igazából semmi halad gyorsabban a fénysebességnél, a térhajtómű segítségével mégis csalhatunk azzal, hogy a távolságot lerövidítjük. Így az idő, ami alatt A pontból B pontba jutunk, kevesebb, mint amennyi idő alatt a fény egy másik, nem tömörített úton halad.
Az imént említett Miguel Alcubierre elméleti fizikus átemelte ezt a teóriát a sci-fiből a valódi tudományba 1994-ben, amikor Einstein általános relativitáselméletének egyenletei alapján modellezni kezdte a térhajtóművet.
Az általános relativitáselmélet a téridő görbülete (gravitáció) és az anyag vagy energia eloszlása közötti kapcsolat. Általában az „anyag” ismeretéből indulunk ki. Például tudjuk, hogy van egy anyagtömbünk, amely egy bolygót vagy csillagot jelent. Ezután ezt az anyagot beillesztjük az egyenletekbe, hogy meghatározzuk, hogyan görbül a téridő. És az, hogy hogyan görbül, megmutatja nekünk, hogy milyen gravitációt mérhetünk az objektum körül.
Hogyan görbíti egy tárgy a téridőt. FOTÓ: DESIGN CELLS/ GETTY IMAGES
Mondhatnánk, hogy pontosan ez az, amit Isaac Newton gravitációról alkotott képe tesz – kapcsolatot teremt egy tárgy tömege és az általa kifejtett gravitációs erő között. És ezzel igazunk is lenne. De a téridő görbületének fogalma sokkal gazdagabb jelenségek sorát eredményezi, mint egy egyszerű erő. Lehetővé tesz egyfajta taszító gravitációt, amely az univerzumunkat tágulásra készteti, időtágulást hoz létre masszív objektumok körül és gravitációs hullámokat a téridőben, és lehetővé teszi a térhajtóművek létezését – legalábbis elméletben.
Alcubierre a megszokottal ellentétes irányból közelítette meg a problémát. Tudta, hogy milyen téridő-görbületet akar. Olyat, amelyben egy tárgy „szörfözhet” a görbült téridő egy bizonyos tartományában. Így hát visszafelé haladva meghatározta, hogy milyen anyagkonfigurációra van szükség ennek létrehozásához. Ez nem az egyenletek természetes megoldása volt, hanem valami, ami „megrendelésre készült”. Bár nem pontosan az kapta, amit rendelt. Rájött, hogy ahhoz, hogy a tér a megfelelő módon görbüljön, egzotikus anyagra van szüksége, valami negatív energiasűrűségűre.
Az egzotikus anyagmegoldásokat a fizikusok általában szkeptikusan szemlélik, és ez így van rendjén. Noha matematikailag az anyagokat negatív energiákkal lehet leírni, addig szinte minden, amit ismerünk, pozitív energiával rendelkezik. A kvantumfizikában azonban ismert, hogy előfordulhat az energia pozitivitásának apró, átmeneti megsértése, így a „nincs negatív energia” nem lehet abszolút, alapvető törvény.
A térhajtóművektől a hullámokig
Alcubierre tér-idő görbületi hajtómű modellje alapján elkezdhetjük megválaszolni az eredeti kérdésünket: Hogyan nézne ki egy jel, ami az űrből érkezik?
Tim Dietrich, az elméleti asztrofizika professzora (Potsdami Egyetem), Katy Clough a londoni Queen Mary Egyetem matematika tanszékének vezető oktatója és Sebastian Khan, a Cardiffi Egyetem Gravitációkutató Intézetének munkatársa a következőképpen nyilatkoztak az eddig elért eredményekről.
A gravitációs hullámok megfigyelésére irányuló új kutatások egyik sarokköve és egyik legnagyobb eredménye az, hogy a „numerikus relativitáselmélet” nevű eszköz segítségével pontosan meg tudjuk jósolni a hullámformákat.
A numerikus relativitáselmélet egy multidiszciplináris terület, amely magában foglalja többek között a relativitáselméletet, a mágneses hidrodinamikát, az asztrofizikát és a számítási módszereket, és amelynek célja a nagy dinamikájú, erős gravitációjú forgatókönyvek numerikus megoldása ott, ahol más közelítések nem állnak rendelkezésre.
Ez az eszköz két okból fontos. Először is, mert a detektoroktól kapott adatok még mindig nagyon zajosak, ami azt jelenti, hogy gyakran nagyjából tudnunk kell, hogyan néz ki egy jel, ahhoz, hogy ki tudjuk húzni az adatfolyamból. Másodszor, még ha egy jel olyan hangos is, hogy kiemelkedik a zajból, akkor is szükség van egy modellre ahhoz, hogy értelmezni tudjuk. Vagyis sok különböző típusú eseményt kell modellezni, hogy a jelet a típusához tudjuk rendelni; különben előfordulhat, hogy csupán zajnak véljük, vagy tévesen fekete lyuk fúziójának tekintjük.
Az egyik probléma a téridő görbületi hajtóművel az, hogy természetesen nem ad gravitációs hullámokat, kivéve, ha elindul vagy megáll. A mi ötletünk az volt, hogy megvizsgáljuk, mi történik, ha a térhajtómű leáll, különösen abban az esetben, ha valami rosszul megy. Tegyük fel, hogy a görbületi hajtómű visszatartó mezeje összeomlik (ez a sci-fi egyik alaptörténete); feltehetően mind az egzotikus anyag, mind a gravitációs hullámok robbanásszerű felszabadulása bekövetkezne. Ez olyasmi, amit a numerikus relativitáselmélet segítségével szimulálni tudunk, és szimuláltunk is.
Azt találtuk, hogy a térhajtómű-buborék összeomlása valóban egy rendkívül erőszakos esemény. A téridő görbítéséhez szükséges hatalmas mennyiségű energia gravitációs hullámok, valamint pozitív és negatív anyagenergia hullámok formájában szabadul fel. Sajnos, ez valószínűleg a hajó legénységének végét jelentené, hiszen az árapályerők egyszerűen szétszakítanák őket.
Tudtuk, hogy gravitációs hullámjelet fogunk kibocsátani; az anyag bármilyen rendezetlen mozgása ilyen hullámot hoz létre. De nem tudtuk megjósolni az amplitúdót és a frekvenciát, és azt, hogy ezek hogyan függenek majd a görbült régió méretétől.
Meglepődve tapasztaltuk, hogy egy 1 kilométeres űrhajó esetében a jel amplitúdója jelentős lenne minden ilyen esemény esetében a galaxisunkon belül, sőt azon túl is. Az 1 mega/sec távolságban (valamivel távolabb, mint az Androméda-galaxis) a jel hasonló a jelenlegi detektorunk érzékenységéhez. A hullámok frekvenciája azonban körülbelül ezerszer nagyobb, mint az általuk vizsgált tartomány.
Azt nem állíthatjuk, hogy a mi jelünk a végleges térhajtómű-jel. Elég sok különleges döntést kellett hoznunk a modellünkben. És az is lehet, hogy a mi feltételezett idegenjeink talán másképp döntöttek. Elvi bizonyítékként szolgál azonban, hogy a standard asztrofizikai eseményeken túli esetek is modellezhetők, és lehetnek olyan jellegzetes formák és alakzatok, amelyeket a jövőbeli detektorokkal kereshetünk.
Munkánk arra is emlékeztet bennünket, hogy a fényhullámok tanulmányozása terén még mindig Galilei fázisában vagyunk, aki a látható fény szűk frekvenciasávjában készített képeket a világegyetemről. A gravitációs hullámfrekvenciák egész spektrumát kell még felfedeznünk, amelyre a térben és időben zajló jelenségek egész sora lesz kihatással.
(Az írás a The Conversation oldalról a Creative Commons licenc alapján került közlésre.)