Vědci poprvé zachytili gravitační vlny

Signál, na který čekali vědci téměř padesát let, a jehož zveřejnění včera nadchlo odborníky, byl zachycen už v září 2015. Paralelně ho zaregistrovaly oba LIGO-detektory v USA. 

Vědci objevili gravitační vlny, které způsobila vzdálená kolize dvou černých děr. Jev, který je vyvolal, se odehrál už před dlouhou dobou – obě černé díry se nacházejí ve vzdálenosti zhruba 1,3 miliardy světelných let. Jejich hmotnost se odhaduje na 29 a 36 hmotnosti Slunce. Splynuly do jedné větší s hmotností 62 sluncí. Zbylá energie, která odpovídá hmotě tří Sluncí, byla při této masivní katastrofě ve zlomku vteřiny vyzářena ve formě gravitačních vln.

Dvě černé díry, které krouží kolem společného těžiště. Při jejich splynutí do jednoho objektu se během krátké doby uvolní velké množství energie v podobě gravitačních vln. Zdroj: NASA, http://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/images/largesize/PIA17562_hires.jpg

Poprvé v historii bylo pozorováno gravitační „zčeření“ časoprostoru na Zemi - a ne jen úbytek hmoty u vzdálené kosmické katastrofy. Před tímto objevem nebyli vědci ani moc jistí tím, že černé díry s hmotností několika desítek Sluncí reálně existují. 

Gravitační vlny

Nedají se přímo porovnávat s elektromagnetickými nebo akustickými vlnami. Gravitační „vlny“ jsou pokřivením geometrie vesmírného prostoru. Předpověděl je Albert Einstein rok poté, co v roce 1915 zveřejnil svou všeobecnou teorii relativity. Jejich existence vyplývá z Einsteinových rovnic a většina vědců je v počátku považovala spíše za matematickou hříčku než za reálný jev.

Podle Einsteinovy teorie, jejíž správnost byla  v poslední stovce let mnohokrát potvrzena, se gravitační vlny při svém pohybu vesmírem  projevují deformací tří prostorových dimenzí a času. Gravitace tak podle Einsteina není pouhou silou, ale vlastností čtyř dimenzionálního systému prostoročasu.

Každá hmota deformuje prostoročas a ovlivňuje tak dráhu ostatních těles. V případě, že se hmotná tělesa urychlují, křiví nejen prostor kolem sebe, ale vysílají také speciální vln, kterým říkáme gravitační. Pohybují se rychlostí světla. Pokřivením prostoru je přitom míněn jev, při kterém se mění vzdálenosti jednotlivých bodů hmotných těles. Původně perfektně kruhový objekt mění například svůj tvar na lehce oválný, aby se pak vrátil do svého původního stavu. Tento jev se dá nejlépe přirovnat k šíření akustických vln. Ty stlačují vzduch, gravitace v určitém časovém úseku stlačuje a deformuje prostor.

Gravitační vlny mohou transportovat obrovské množství energie. Přesto jsou tyto vlny těžko prokazatelné, protože prostor je „pevný“ a na jeho pokřivení je potřeba opravdu enormní množství energie.

Druh a vlastnosti gravitačních vln

Vlastnosti gravitačních vln (například jejich frekvence) závisí na druhu těles,  které je vyvolaly. Čím těžší je těleso, které vlny vyslalo, tím menší frekvenci mají. 

Supernovy vysílají například gravitační vlny s frekvencí až 1000 Hz. Rychle rotující neutronové hvězdy, vysílají vlny s frekvencí 10 – 10 000 Hz. Systémy, které se skládají z neutronové hvězdy, která obíhá černou díru, vydávají gravitační vlny s nižší frekvencí. Ta přímo závisí na dobu vzájemného oběhu obou těles. Čím blíže obě tělesa jsou, tím vyšší frekvenci mají jejich gravitační vlny. Dvojice neutronových hvězd může zpočátku vysílat hlubší frekvence, které se postupně zvyšují až dosáhnou několika set Hz. Supermasivní černé díry, které disponují hmotami 100 000 až několik miliard Sluncí, produkují vlny v oblasti kolem milihertzu. Na podzim pozorovaný jev, při kterém se spojily dvě černé díry s hmotnostmi několika  desítek Sluncí, vyprodukovaly vlny s frekvencí pod 100 Hz.

Nepřímý důkaz gravitačních vln

První nepřímý důkaz gravitačních vln přinesli vědci už v sedmdesátých letech. Astronomové Russel Hulse a Joseph Taylor pozorovali dvě neutronové hvězdy, které kroužily kolem společného těžiště, jejichž vzájemná vzdálenost se neustále zmenšovala. Systém přitom ztrácel přesně tolik energie, kolik předpověděl ve své teorii Albert Einstein. Oba vědci dostali za svůj objev v roce 1993 Nobelovu cenu.

Přímý důkaz gravitačních vln

Z šedesátých let pochází první detektor, který měl gravitační vlny prokázat v přímém experimentu. Jeho autor, Joseph Weber, tvrdil, že vlny skutečně zachytil, výsledky jeho experimentů se ale nepovedlo duplikovat. Měření pomocí cylindrického detektoru byla později považována za chybná.

V sedmdesátých letech vědci začali konstruovat přístroje, které používaly laserové interferometry. Jsou složené ze  dvou, k sobě navzájem kolmo postavených ramen, kterými probíhá laserový paprsek. Přicházející gravitační vlny pak obě ramena deformují různým způsobem, což se projeví na laserem vysílaném paprsku a vytvoří specifický druh signálu.

Technologický skok představují experimenty, které opustí povrch Země, aby pracovaly na oběžné dráze nebo ve větší vzdálenosti od Země. Před několika měsíci odstartovala mise LISA Pathfinder, která má měřit gravitační vlny přímo ve vesmíru. Může odhalit i nízkofrekvenční signály, pocházející ze superhmotných černých děr, které se nacházejí v centrech galaxií.

Paralelně s ní pracují a jsou neustále zdokonalovány pozemské detektory LIGO v USA, Virgo v italském městě Sascina a GEO600 v německém Hanoveru.

Z principu věci se dají na pozemském povrchu zachytit signály mezi 30  3000 Hz. Jediným z experimentů,který zpracovává objekty s nízkou frekvencí gravitačních vln, je experiment „Advanced LIGO“ v USA. Umí zachytit i signál, který má méně než 100 Hz.

Jak probíhal experimentální důkaz gravitačních vln na Advanced LIGO

LiGO zahrnuje dvě observatoře. Jedna z ncih se nachází v Hanfordu, ve státě Washington. Druhá je v Livingstonu, ve státě Luisiana. Jsou tak od sebe vzdáleny 3000 kilometrů. Z porovnání gravitačních vln, které se pohybují přesně danou rychlostí (rychlostí světla), se díky rozdílnému času dopadu na oba detektory dá určit místo, odkud k nám přicházejí. Díky velké vzájemné vzdálenosti se také daří eliminovat některé lokální vlivy, které mohou experiment narušit - například vibrace a zemětřesení.

Observatoře jsou postaveny do tvaru písmene „L“. Délka jednotlivých ramen, ve kterých se pohybují laserové paprsky, je kolem 4  kilometrů. Hanfordský experiment vlastní také druhý interferometr, který je dlouhý 2 kilometry.

Schéma interferometru. Zdroj: von MOBle in der Wikipedia auf Englisch [Public domain], via Wikimedia Commons

„Máme něco jako pravý signál!“

První pozorování měla být experimentem „Advanced LIGO“ provedena 18. září. Vědci ale pozorovali dotyčný signál už 14. září. Věnovali se právě přípravám a testům, když je překvapila čistá a tak dlouho předpovídaná modulace. Mnozí z nich zprvu nevěřili, že je „pravá“ a nejedná se o součást testů.

Analyzátor signálů Marco Drago byl první,  kdo signál zaregistroval. Pracuje v německém Hanoveru, kam počítače předávají výsledky experimentů z USA. Spolu se svým kolegou, Andrewem Lundgrenem se pak snažili provolat na pracoviště LIGO do USA. Tam v té  době panovala hluboká noc, takže žádného ze svých kolegů nezastihli. Skvělou zprávu jim zprostředkovaly až hromadné emaily, které skupina vědců z Německa  rozeslala celému týmu: „Zdá se, že máme něco, co vypadá jako pravý signál.“

Díky počítačovým simulacím vědci vědí, jaký signál mají hledat. Teoretičtí fyzici a analyzátoři mohou vypočítat, co se děje při vzájemné kolizi dvou černých děr. Je proto známo, jaké gravitační vlny systém vysílá a jaké efekty pak při zachycení v pozemském detektoru vyvolají. V průběhu minulých let byly propočítány tisíce možných kosmických katastrof a definovány signatury, kterými by se měly projevit.

Oba detektory, jak v Livingstonu, tak Hanfordu (USA) zaregistrovaly stejný signál. V tomto případě odpovídal systému dvou černých děr, které kolem sebe nejprve krouží, aby pak splynuly do jednoho objektu.

Plány do budoucna

V průběhu dalších experimentů, které se mají konat v září 2016, chtějí vědci pozorovat další typické efekty. Během dalšího roku by chtěli zkoumat hmotnosti různých černých děr. V roce 2034 by měl začít pracovat vesmírný detektor eLISA. Ten bude mít jinou konfiguraci a bude se tak moci koncentrovat na měření gravitačních vln jiných těles – černých děr s tisíci nebo milióny hmotností Slunce, nebo dvojic bílých trpaslíků.

 Zdroje:http://www.weltderphysik.de/, http://arxiv.org/pdf/1601.06156v1.pdf, https://dcc.ligo.org/public/0122/P150914/014/LIGO-P150914%3ADetection_of_GW150914.pdf