Částicové Zoo – gravitony a gravitační vlny

Doufáme, že existují. Bohužel zatím nevíme, jak je ulovit, úspěšně se před námi skrývají. Pomáhají jim dokonce i fyzikální zákony. Ohrada, kterou  jsme jim připravili v naší pomyslné Zoo bude nejspíše ještě nějakou dobu prázdná.

Vlastnosti gravitonů

Gravitony by měly být částice, přenášející gravitační sílu. Mezi dvěma hmotnými objekty, které se vzájemně přitahují, by mělo docházet k výměně gravitonů podobně, jako komunikují dvě elektricky nabité částice pomocí fotonů.

Gravitony by měly být svými vlastními antičásticemi. Antigraviton by tedy, pokud existuje, měl mít stejné vlastnosti jako graviton. Jednou z nich je specifický spin, vlastnost, která dělí částice do dvou kategorií - mezi částice hmoty a částice silových interakcí. Graviton by měl mít spin celočíselný a patří tak mezi bosony přenášející fyzikální síly.

V našem pomyslném částicovém Zoo by se měl graviton nacházet v poslední ohradě úplně vpravo. Jeho výběh je ale prázdný. Zatím se ho ještě nikdy nepodařilo „ulovit“. Přesto už pro něj v Zoo připravili krmivo, víme totiž, co chutná jeho příbuzným.    

Na jeho nepolapitelnosti se podílí hlavně fakt, že gravitace je nejslabší ze všech známých fyzikálních sil. Je 10^38 krát slabší než její nejsilnější kolegyně – silná jaderná interakce. Síla, kterou na sebe působí dvě kilogramová závaží je velice slabá, tak slabá, že je jen těžko měřitelná. Jak složité pak musí být odhalení částic, které ji přenášejí!

Ve světě mikročástic je gravitace silou, která nehraje prakticky žádnou roli. Fyzici ji ignorují a do svých rovnic ji nezahrnují. Přitažlivá síla je závislá na hmotnosti jednotlivých, vzájemně se přitahujících těles. Částice jsou příliš málo hmotné na to, abychom dnes mohli jejich přitažlivost přesně změřit.   

Úplně jiná situace nastává v makrosvětě a vesmírných měřítkách. Pro obří vesmírné objekty, složené z nepřeberného množství částic, je gravitace „královnou všech sil“. Podmiňuje vznik hvězd, diktuje oběžnou dráhu planet. Gravitace je totiž zároveň nesmírně úpornou silou. Má nekonečný dosah a nedá se nijak odstínit.

Hmotnost a rychlost šíření gravitonů

Zatímco by gravitony zprostředkovávaly vzájemnou přitažlivost hmoty, samy by měly být nehmotné. Stejně tak by neměly mít žádný elektrický náboj. Nulovou hmotnost gravitonu vědci předpovídají s ohledem na jeho další, zjevné vlastnosti. Stejně jako foton má graviton neomezený dosah. Měl by tedy mít stejnou hmotnost jako foton – a ta by měla být nulová. Podobně vědci odvozují pravděpodobnou rychlost, se kterou se gravitony pohybují – měly by dosáhnout rychlosti světla.

Vznik gravitonů

Graviton by měl být částicí, která vzniká z gravitačního pole dodáním určitého množství energie. Měl by ale být tak nepatrný, že bude jen těžko k nalezení. Experimentální fyzika se dnes koncentruje spíše na objev a důkaz tzv. gravitačních vln, které doprovázejí proměny velice hmotných těles.

Gravitační vlny

Existenci gravitační vlny předpověděl před sto lety Albert Einstein. Definoval rychlost světla jako maximální rychlost, kterou může dosáhnout informace, šířící se vesmírem. Tím se jeho teorie lišila od (do té doby platné) Newtonovské mechaniky, která předpokládala okamžité gravitační působení hmotného tělesa na své okolí.

Einstein pak v roce 1918 odůvodnil existenci vln, které způsobují přibližování a vzdalování objektů, tedy roztahují a sráží prostor.

Originál jeho práce dostupný online: http://articles.adsabs.harvard.edu/cgi-bin/get_file?pdfs/SPAW./1918/1918SPAW.......154E.pdf

Gravitační vlny vznikají při urychlování nebo brzdění hmotných těles podobně, jako vznikají při urychlování elektricky nabitých částic magnetické vlny.

Intenzita gravitačních vln je přitom závislá na hmotnosti objektů, které je vysílají. Čím hmotnější těleso, tím intenzivnější vlny. Je tedy pravděpodobné, že se nám dnešními detektory podaří zachytit jen vlny, které byly vyvolány velice hmotnými srážkami, případně explozemi.

Takovým zdrojem gravitačních vln mohou být například exploze supernov nebo poslední stadia vzájemných srážek dvou neutronových hvězd nebo černých děr. Krátce předtím, než splynou do jednoho objektu totiž vekou rychlostí obíhají kolem společného těžiště.

Podle druhu svého zdroje se gravitační vlny dělí do čtyř kategorií

• Kontinuální gravitační vlny, vznikající například díky rotaci neutronových hvězd. Vlny pak mají téměř konstantní frekvenci i amplitudu (prvky, které vlnu definují).
• Kompaktní binární spirálovité gravitační vlny. Ty vznikají při výše popsaných srážkách dvou extrémně hmotných těles, například černých děr. Trvání těchto vln se udává v sekundách. Znakem těchto vln je vyšší konečná než počáteční intenzita – zdroje těsně před srážkou rotují nejrychleji a vydávají proto nejintenzivnější vlny.
• Náhodné vlny, přicházející z vesmíru ze všech směrů. Jejich zdroje jsou různé.
• Netradiční gravitační vlny, které jsou odlišné od všech pozorovaných, protože je způsobují zatím nepoznané kosmické jevy.

Zatímco obíhá kolem Slunce, vysílá gravitační vlny dokonce i takový objekt, jakým je naše Země. Jsou ale tak nepatrné, že se stávají neměřitelnými. Jen pro srovnání – celkové gravitační vyzařování Země činí kolem 300 W. Ani gravitační vlny, způsobené oběhem ostatních planet kolem Slunce, se nedají měřit. Jsou příliš slabé.

Daleko intenzivnější vlny musel vyvolat Velký třesk. Ty by měly být ve vesmíru dodnes pozorovatelné. Kvůli rozpínání vesmíru (a tím i „natahování“ jejich vlnové délky) by měly dnes mít velice nízkou frekvenci.

Na zachycení tohoto druhu gravitačních vln se měl podílet projekt eLISA. Jeho detektor se měl nacházet na oběžné dráze kolem Slunce. Měly ho tvořit tři satelity s laserovými interferometry, přístroji, schopnými zachytit změny vysílaného laserového paprsku. Tvořily by spolu obří trojúhelník. Rozpětí mělo činit kolem miliónu kilometrů. Tento společný projekt ESA a NASA bohužel doplatil na rozpočtové škrty USA. Úsporná opatření donutila NASA, aby v roce 2011 od projektu odstoupila.

Gravitační vlny se dnes snaží zachytit pouze pozemní experimenty. Jejich rozměry jsou omezené a mohou se tedy koncentrovat jen na určitou frekvenci gravitačních vln. Na podzim 2015 zachytil detektor LIGO v USA první ověřený signál, který odpovídal kolapsu dvou rychle rotujících černých děr.

K čemu nám budou gravitony a gravitační vlny dobré?

„Je to malé a není to vidět. Čemu to má sloužit?“ chcete se mě možná nyní zeptat.

Vědci jsou objevem gravitačních vln nadšeni. Doufají, že se s jejich pomocí jednoho dne dostanou „na kůži“ jedné z největších vesmírných záhad – temné hmotě. Ta je průhledná pro elektromagnetické záření, nedá se tedy detekovat žádným běžný způsobem, jakým zkoumáme naši „normální“ hmotu. Zdá se, že je to jedině gravitace, na kterou temná hmota reaguje.

Pokud se lidstvo naučí pracovat s gravitačními vlnami, může začít s jejich pomocí objevovat i onu část vesmíru, která je dnes za vysokým, nepřekonatelným plotem fyzikálních zákonů. A to je opravdu úchvatná představa.