Tudósközelben: Patkós András atomfizikus, akadémikus

IPM: Miért nem esnek le a csillagok? – kérdezi már a kisgyerek. De a csillagos égre tekintve a felnőtt fejében is hasonló kérdés motoszkál. Ha minden vonzza egymást, akkor miért néz ki úgy a Naprendszer és a világegyetem, ahogyan most látjuk?

Patkós András: A XVII. század vége felé szintén ezt a kérdést tették föl a kor mûvelt emberei: ha a Naprendszer minden tagja állandóan vonzza egymást, miként tud az stabil maradni? E kíváncsiság oka Isaac Newton 1687-ben közzétett felfedezése volt: az általános tömegvonzás, vagyis a gravitáció. &Iacutegy az addig uralkodó arisztotelészi (statikus) világképet Newton fölváltotta a dinamikával, s értelmezni tudta Tycho Brahe és Johannes Kepler megfigyeléseit, a Naprendszer bolygóinak mozgását. De az egyszerûnek tûnő kérdésre akkoriban nem lehetett igazán egyértelmû, végleges választ adni. Ma ugyan közelebb járunk ehhez, ám egyelőre több alternatív válaszunk is van. Arra pedig, hogy mennyire állandósult irányultságú a világ egészének a mozgása, még nem tudunk tetszőleges időskálán válaszolni. Ne feledjük, hogy az az időskála, amely az emberi civilizáció (és ezzel a csillagászati megfigyelések) korszakát jelzi, az univerzum léptékeihez képest érdektelenül rövid. A kormeghatározással is sok gond akadt: 25–30 éve a holdkőzetek korát már tudtuk, az ősrobbanásét (Big Bang, Nagy Bumm) még nem, vagy az – elfogadhatatlan módon – kisebbnek jött ki, mint a Holdé.

IPM: Gyermeki kíváncsiságunk miatt vissza kell menni a világegyetem keletkezéséig?

P. A.: Bizony, vissza… De arra is vessünk egy pillantást, miként kezdtük tisztázni az univerzum tágulásának ütemét. Az 1960-as évek elejétől a vöröseltolódásból – rettentő nagy hibaaránnyal – kezdték megbecsülni a tágulás sebességének mai értékét. (Hubble 1929-ben fedezte föl, hogy minél távolabb van tőlünk egy galaxis, annál nagyobb a vöröseltolódása, vagyis annál nagyobb sebességgel távolodik.) A 90-es évekre a Hubble-ûrtávcső (HST) révén ennek az adatnak a hibáját sikerült annyira lecsökkenteni, hogy az már a csillagászoknak is elfogadható mértékû. A világegyetem globális mozgásának meghatározásához bonyolult méréseket kellett végezni, figyelembe véve többek közt a Naprendszernek galaxisunkbeli, továbbá a Tejútrendszernek az úgynevezett lokális rendszert alkotó galaxisegyüttesben végzett saját mozgását is. Ma már egyre meghatározóbbá válik az a vélemény, hogy – különböző megfigyelések révén – az univerzum globális mozgása jól követhető. Az is nagyon valószínû, hogy a tágulás üteme az elmúlt néhány milliárd évben gyorsult, nem pedig lassult. Ez pedig önmagában is magyarázatra szorul.

IPM: Az ősrobbanásból és a kozmikus háttérsugárzásból kiderül, miért pont ilyen a világ?

Az ősrobbanás melletti egyik döntő érv pont a kozmikus háttérsugárzás (ezt Gamow és Alpher még 1948-ban megjósolta, Penzias és Wilson 1965-ben felfedezte), amely a forró univerzum korszakából származik. Az elektronok és a protonok a Nagy Bumm után mintegy 400 000 évvel – úgyszólván az univerzum csecsemőkorában – tudtak összeállni hidrogénatomokká, úgy, hogy a fotonok nem szakították szét a kötést, hanem „lecsatolódtak”, és 13,7 milliárd év után elérnek minket. Azóta a különböző irányból érkező háttérsugárzás megdöbbentően egyenletes hőmérsékletét és más jellemzőit (pl. a közbenső úton bekövetkező szórásból származó polarizációját) sikerült rendkívüli pontosságú mûholdas mérésekkel megállapítani. Ez lehetővé teszi, hogy közel 14 milliárd évre visszatekintve meg tudjuk állapítani a világegyetem tágulási ütemének alakulását. Szükség van azonban a mikrofizikára is, hogy megállapíthassuk a tágulást előidéző energiasûrûség természetének változásait (a kvarkoktól a protonokon és neutronokon át a legkönnyebb atommagokig és végül az atomok megjelenéséig). Einstein gravitációs elmélete, az említett mérések és a részecskefizika alapján arra következtetünk, hogy az univerzum átlagos sûrûsége éppen annak az értéknek felel meg, ami az összeomlás – vagyis a világegyetem összehúzódása (Big Crash, Nagy Reccs) – és az örökös tágulás határán van.

Ezt a megállapítást átfogalmazhatjuk úgy is, hogy az univerzum térbeli (de nem téridőbeli!) geometriája euklideszinek bizonyult. A fizikus ezt a megállapítást rögtön kutatási feladatként értelmezi és annak okát kérdi, hogy miért nem élünk a Bolyai–Lobacsevszkij-féle „görbült” geometriájú világok valamelyikében. Emellett még számos fontos adatot lehet kibányászni a kozmikus háttérsugárzásból, ami elsősorban az anyag galaxisokba tömörülésének dinamikájáról tájékoztat.

IPM: A háttérsugárzáson kívül még mi támasztja alá, hogy valóban volt Nagy Bumm és „szétszalad" a világunk?

P. A.: Két további csillagászati információforrásunk van erre, az egyik a galaxisok távolság és irány szerinti háromdimenziós eloszlása, egyszerûbben a galaxistérkép, a másik a szupernova-robbanások megfigyelt fényességének alakulása a távolság függvényében. Ezért is olyan fontosak a galaxisfelmérések, amelyek közül a legnagyobban – a SLOAN Digital Sky Survey-ben – igen erős a magyar közremûködés az Eötvös Egyetem részéről is. A galaxistérkép kialakulási dinamikájának vizsgálatából szintén arra következtetünk, hogy a galaxisokat alkotó anyag sûrûsége az univerzum teljes átlagsûrûségének kevesebb mint 30 százaléka.Azt meg tudjuk állapítani, hogy a newtoni gravitációnak „engedelmeskedő” galaxisok, galaxishalmazok a teljes anyagsûrûség hányadrészét alkotják – ez az érték nagyjából 30 százalék. Ebből 25 százalékot képvisel a úgynevezett sötét anyag, amely fényt nem bocsát ki, és a bennünket alkotó anyagfajtákkal olyan gyenge a kölcsönhatása, hogy csak a gravitációs hatását észleljük, azt is leginkább a galaxisok látható tartományának szélein. Ott ugyanis nem úgy változik a csillagok sebessége, amiként azt a fényes objektumokkal lezáruló kompakt anyageloszlás esetén várnánk, hanem a megfigyelésekből arra kell következtetnünk, hogy kijjebb is van valamilyen anyag – csak azt nem látjuk.

Azt gyanítjuk, hogy a sötét anyag még ismeretlen elemi részecskékből áll. Optimális esetben a szeptemberben beindult európai nagy hadrongyorsító (LHC) révén fel fogunk fedezni valahány ilyen részecskét, a kutatók körében igen erős ez a várakozás. Persze nem lesz magától értetődő feladat az azonosításuk a kozmikus sötét anyag alkotórészeivel. Az a szép ebben a perspektívában, hogy a csillagászat, a kozmológia és a részecskefizika újabb szinten kapcsolódik össze. James Peebles, korunk egyik legtekintélyesebb kozmológusa – aki egyébként szintén megjósolta és majdnem föl is fedezte a háttérsugárzást – már az 1980-as évtizedben hiányt észlelt a Newton általános tömegvonzási törvényét követve gravitáló anyagsûrûség és az univerzum teljes anyagának sûrûsége között. A kozmikus háttérsugárzásból kiolvasott sík térgeometriát létrehozó sûrûségnek a gravitáló anyag – mint említettük – csak 30 százalékát adja, így felmerül a hiányzó anyag problémája. A megoldáshoz annak felfedezése vitte közel a kozmológusokat, hogy a tágulási ütem a várt lassulás helyett az elmúlt 4–6 milliárd évben gyorsulva nő.

IPM: Honnan tudjuk, hogy az univerzum tágulása nem egyenletes?

P. A.: Nemcsak az ősrobbanás elméletét erősíti meg – harmadik alappillérként – az 1990-es években indult szupernóva-megfigyelési program, hanem azt is, hogy a világegyetem tágulása nem lassul. Egy adott osztályba (Ia) tartozó szupernóvák fénye halványabb annál, mint amit a lassuló tágulásnál várnánk – tehát az univerzum tágulása során távolabbra jutottak ezek a csillagok. Mostanra nagyjából 200 Ia-osztályú szupernóva felvillanásának időbeli lefutását mérték meg, azért pont ezeket, mert robbanásuk abszolút fényerőssége megegyező, bárhol is legyenek.

Eszerint nemcsak normális gravitációs hatású anyag van, hanem eddig ismeretlen természetû is: ez a „hiányzó”, nagyjából 70 százalék anyag gyorsító tulajdonságú! Különben – a határsûrûség 30 százalékával – bár örökké tágulna a világegyetem, ez a folyamat egyre lassulna.Ezt a „hiányt” Einstein mintegy 90 éve már számításba vette kozmológiai állandó formájában, bár csak azért, hogy változatlan (állandósult) állapotú univerzumot kapjon (ezzel az állandóval kompenzálta a csillagokat a világegyetem centrumába húzó gravitációs vonzást). Javaslatát a Hubble-tágulás felfedezése miatt visszavonta, és „élete legnagyobb szamárságának” nevezte. &Aacutem jelenlegi tapasztalataink szerint az univerzum geometriája sík, és gyorsulva tágul. Ezért a szokásos gravitáció összehúzódását ellensúlyozó Einstein-féle kozmológiai állandó akár újból bevezethető, de léteznek a gyorsulva tágulást magyarázó egyéb elméletek is.

IPM: Nem túl bonyolult a globális mozgás fenti képe, amely a világegyetem egészét kívánja megragadni?

P. A.: A háttérsugárzás, a galaxisok háromdimenziós térképe (eddig kereken egymillióé) és a szupernóva-megfigyelések eredménye együtt nagyon szépen leírható egy hatparaméteres elmélettel. Ritka az a természeti jelenség, amelynek igen pontos leírásához ennyire kevés paraméter beállított értékére lenne szükség. A paraméterhalmaz egyik eleme a kozmológiai állandó, amely az ismeretlen tulajdonságú hiányzó fázist, a sötét energiát képviseli. Ez az anyag állandósult sûrûségû, negatív – a gravitáció ellenében ható – nyomású.A hat paraméterből kettő olyan, ami a csillagászati megfigyelésen túllépő magyarázatra szorul. Egyik a sík térgeometriájú univerzum, a másik az, hogy a háttérsugárzás iránytól független. Utóbbit úgy tudjuk megmagyarázni, hogy feltételezzük: jóval a háttérsugárzás előtt inflációs felfúvódás (kozmikus infláció) ment végbe.

Ez az ősrobbanás után, az elképzelhető legrövidebb idő alatt bekövetkezett, azaz csak a Planck-idő (kb. 10-43 mp) elteltével történt, és exponenciális méretskála-növekedést okozott, bármilyen is volt az akkori univerzum térbeli geometriája. E miatt a felfúvódás miatt érte el a világegyetem a sík geometriát (amit mindig azzal a geometriával állítanak párhuzamba, amely egy hatalmasra felfújt léggömb felületének kicsiny tartományában észlelhető). Ezzel az elméleti konstrukcióval – amely matematikailag jól kidolgozott – leegyszerûsítettük a világegyetem nagyszámú megfigyelhető tulajdonságait magyarázó modellt.

Ma az univerzumban elvileg elláthatunk 1028 centiméterre (ami 100 milliárdszor billió km, vagy 100 trilliárd km), ugyanakkor ez a tartomány az inflációs korszakot megelőzően a Planck-hosszúság (kb. 10-35 cm) nagyságrendjébe esett. Ez pedig a kvantumvilág mérettartománya. Ebben olyan sûrûség- és energiaingadozások zajlottak, amelyek az inflációval felnövekedtek, és meghatározták a kozmikus háttérsugárzás keletkezésének korában fellépő hőmérséklet-ingadozásokat is. Az inflációs modellek közül alkalmasat választva meg tudjuk érteni a világegyetem anyagcsomósodásának és sugárzási hátterének mai viselkedését is.Magyarázatot kapunk arra, miért olyan lehetetlenül kicsi az eltérés a háttérsugárzás természetében – jóllehet, az égbolt két távoli (nagy szöget bezáró) iránya között nincs már kölcsönhatás, mégis meglepően egyenletes a különféle irányokból észlelhető sugárzás (csak 0,0002 Kelvin-fok ingadozású). Az inflációs felfúvódás a Planck-skálán ható kvantumingadozásokat nagyítja fel. Ez alkotja az egyetlen, okságilag összekapcsoló, szétterjedő – ha úgy tetszik, vezérlő – hatást. A mûholdakkal mérhető kis hőmérséklet-ingadozások tehát a Planck-méretû tartományból öröklődtek.

Bár az inflációs magyarázatot a csillagászok nem igazán szeretik – mivel nincs mód közvetlen információt szerezni ebből a korszakból –, de általa nagyon-nagyon egyszerû képletekkel lehet értelmezni a háttérsugárzás tulajdonságait. A „kézzel” megválasztandó paraméterek száma mindössze hat marad. Bónuszként még azt is meg tudjuk válaszolni, hogy a könnyû elemek (hidrogén, deuteron, hélium, lítium) magjainak kozmikus előfordulási gyakorisága miért pont annyi, ameny-nyinek a csillagászok mérik az atomfizikai spektroszkópia révén.

IPM: Kapcsolódik-e az univerzum történetéhez a gravitációs hullámok kimutatása? Bár érdekfeszítő a téma, vajon nem tûnik reménytelen feladatnak?

P. A.: Szeretne közelebb jutni az ember – főleg, ha kozmológus vagy részecskefizikus – az ősrobbanáshoz az első 300–400 000 évnél. Utaltam arra, hogy elég jól tudjuk rekonstruálni, mi történt az ősrégi magfúzió idején, az első 20 percben. De vajon lehet-e a kozmikus infláció idejéből jeleket kapni? Az iszonyú átrendeződéssel, a gravitációs tér hatalmas változásával járó kezdetekről a gravitációs hullámok árulhatnának el valamit. Keletkezésüket megjósolta már az általános relativitáselmélet, de közvetlen módon máig sem tudtuk őket megfigyelni – így még a közvetett bizonyítékért is fizikai Nobel-díj járt (Russel Hulse és Joseph Taylor kapta 1993-ban).

Olyan gravitációs hullámokat, amelyeket a közeljövőben lesz reményünk észlelni, nagyon sûrû objektumok sûrûségének nagy sebességû (gyorsuló) átrendeződése kelt, ilyenek az összeolvadó vagy egymással ütköző neutroncsillagok vagy a fekete lyukak. Ekkor a gravitációs erőterük egy része leszakad és eltávolodik az objektumtól, amelynek emiatt csökken az energiája. Hulse és Taylor meg tudta becsülni ezt az energiavesztést egy kettős pulzár (gyorsan forgó neutroncsillagpár) hosszas megfigyelésével, ami szépen egyezett az elmélet szerinti értékkel.

Szintén a nagyon nagy tömegátrendeződéssel járó események gravitációs hullámait szeretnénk megfigyelni azokkal a lézeres berendezésekkel, amelyeknél a detektorok egymásra merőlegesen több kilométerre vannak egymástól. A két karon haladó fényhullámok fázisait nagy pontossággal stabilizálva interferencia alakul ki közöttük. A karok végpontjait adó forrás és a detektor távolsága meg kell, hogy változzon a gravitációs hullám áthaladásának hatására. Ettől a berendezés két karján haladó lézersugarak relatív fázisa – és ennek következtében interferenciájuk mintázata – ugyancsak megváltozik. Ezzel a nagyon érzékeny technikával sem sikerült eddig tetten érni a gravitációs hullámokat.

Ezen próbálnak segíteni az érzékenység fokozásával, és a sokféle zavaró tényező hatásosabb kiszûrésével. Ilyen berendezések több országban mûködnek, például a németeknél Hannoverben, az olaszoknál Pisa közelében, az USA-ban pedig egy ikerberendezés van egymástól több száz mérföldre (Baton Rouge és Hanford).A 2019-re tervezett európai–amerikai mûholdcsoport, a LISA (Laser Interferometer Space Antenna – Lézer Interferométeres Ûrantenna) három, egymástól 5-5 millió kilométerre lévő szatellit alkotta interferométer segítségével próbálja majd felderíteni a gravitációs hullámokat, a Föld zavaró hatásától jó távol (50 millió kilométerre). A LISA a kompakt csillagszerû objektumok között lezajló kataklizmikus folyamatokon túl talán-talán észlelni tudja az ősrobbanás kezdeti idejéből származó hullámokat is. Elvégre azok nem kallódtak el, csak éppen sokkal gyengébbek, mint a jóval fiatalabb kozmikus események által keltett hullámok. Ha egyszer – nem akarok jósolni, mikor – képesek leszünk megfigyelni a kozmikus infláció gravitációs hullámait, akkor fogjuk igazán letapogatni a kezdeteket, és kideríteni: valóban lezajlott-e az infláció, s milyen volt. &Iacutegy ebből a kézenfekvő elméletből továbblépve eljuthatunk annak részletes vizsgálatáig.

IPM: Mit hoz a közeljövő? Vajon izgalmas időkre számíthatunk a fizikában és a csillagászatban, vagy apránként haladunk tovább?

P. A.: 2020-ig nagyjából előre lehet látni, hogy a csillagászati megfigyelések és a részecskefizikai kísérletek milyen programot követnek. Idén az európai ûrkutatási program keretében fellövik a Planck-mûholdat, amelytől még több (részletesebb) eredményt várhatunk a kozmikus háttérsugárzásról. A 2010-es évek első felében a sötét energia gyorsító hatásának pontosabb kimérésére bocsátanak majd fel szatellitet. A földön pedig több új generációs „galaxisleltározó” program lép az égbolt feltérképezésének következő szintjére. Ezzel párhuzamosan a részecskefizikai kutatásoktól, elsősorban a genfi LHC-tól új anyagfajták megfigyelését – és nem csupán feltételezését – várjuk.

Erősen reméljük, hogy az európai Nagy Hadrongyorsítóval nemcsak a Higgs-bozont – ezt az 1964 óta feltételezett fontos részecskét – fedezik föl végre egyértelmûen, hanem még sok más érdekes elemi gerjesztést, köztük a sötét anyag alkotórészeit. Akkor pedig a Földről és a mûholdakkal végezhető megfigyelések új, határozottabb irányt vehetnek. Az új felfedezések egyben hozzájárulnak ezeknek a nehezen kimutatható részecskéknek a tanulmányozására, hogy új eljárásokat és eszközöket alakíthassanak ki az asztrofizikusok is. Hideg univerzumunkban, a csomósodó anyag világában nagyon érdekes lesz a sötét anyag igen gyengén kölcsönható alkotórészeinek megragadása. Az, hogy ezek különböző divatos elméleti elképzeléseknek megfelelnek-e, másodlagos kérdés. Nagyon időszerû, hogy a kemény kísérleti tények fegyelmezzék kissé az elméletalkotók határtalan fantáziáját. Ugyanakkor a közös tényanyag alaposan gerjeszti az asztrofizika, a részecskefizika és a csillagászat közti együttmûködést, amelynek eredményeit remélhetőleg majd egységes, nagy egyszerûséget tükröző leírásban lehet összefoglalni.

Ebből az erőfeszítésből többek közt az Eötvös Egyetem asztrofizikai csoportja is kiveszi a részét, amelyet Frei Zsolt docens kolléga vezet. Ô a világhíres Princeton Egyetemen doktorált. Igen sikeresen indult, mégis hazajött – és itthon sok küzdelem árán megteremtette az ELTE asztrofizikai oktatási és kutatási programját. Ez az országban egyedülálló tevékenység, minden tekintetben állja a versenyt a fejlett tudományú országok hasonló oktatásával. Immár PhD-t szerző, számos előkelő egyetemről posztdoktori ajánlatot is kapó fiatalok jelzik ennek a másfél évtizedes munkának az eredményességét.

A modern asztrofizikai, elsősorban gravitációs kutatásokhoz való kapcsolódás ambícióját külföldön élő magyar kutató barátaimmal együtt igyekszünk maximálisan támogatni. &Iacutegy sikerült létrehozni az Eötvös Egyetem gravitációs kutatócsoportját is, amely reményeink szerint részese lehet a gravitációs hullámok első pozitív észlelésének, mivel teljes jogú tagként csatlakoztak az amerikai LIGO-programhoz (ez a már említett lézeres interferometriával keresi a gravitációs hullámok nyomát). Én nagyon ígéretes projektként pártfogolom őket, de a részecskefizikából már nem kívánok átváltani erre a területre. Legyen ez a következő kutatói generáció roppant izgalmas területe. §

  • Életrajz
    Patkós András akadémikus, egyetemi tanár 1947-ben született Budapesten. 1970 óta dolgozik az ELTE Atomfizikai tanszékén, ahol 1989 óta egyetemi tanár. 1989-től 1992-ig a Fizika tanszékcsoport vezetője. Közben vendégkutatóként, majd professzorként dolgozott többek közt Genfben (CERN), Koppenhágában (Niels Bohr Intézet), az amerikai Fermi Laboratóriumban, a strasbourgi Louis Pasteur Egyetemen. Az ELTE–MTA Statisztikus Fizikai Kutatócsoport vezetője (2001–2006), 2007 óta az Atomfizikai tanszék vezetője.Szakterületei: részecske- és statisztikus fizika, kozmológia.Kutatási területei: elméleti részecskefizika, kvantumtérelmélet, a Forró Univerzum kialakulása. 105 tudományos cikk, 40 népszerûsítő, illetve tudománypolitikai cikk, 3 egyetemi tankönyv szerzője. Kedvtelései: Szívesen ír ismeretterjesztő cikkeket, izgatja a XX. század társadalmának és természettudományának története. Családjával, barátaival szisztematikusan igyekszik felfedezni Magyarország tájainak, településeinek szépségeit.