Neděle 17. ledna 2021, svátek má Drahoslav
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Neděle 17. ledna 2021 Drahoslav

Vědci ve vesmíru dosáhli zatím nejdokonalejšího stavu beztíže

Dvě krychle ze zlata a platiny na palubě sondy LISA Pathfinder poznaly téměř dokonalý stav beztíže, oznámilo vedení letu. Znamená to, že ambiciózní plán na vytvoření unikátní observatoře sledující například supermasivní černé díry může uspět. Jen ho musí Evropa zaplatit.

Lisa Pathfinder připravená ke startu na kosmodromu Kourou. Do vesmíru ji vynesl malý evropský nosič Vega. | foto: ESA

Od letošního února už víme, jak to „zní“, kdy se srazí dvě černé díry. Detektoru LIGO se podařilo zachytit gravitační vlny z jedné takové gigantické srážky, znovu potvrdit předpovědi sto let staré teorie relativity a poprvé tak pohlédnout do vesmíru úplně novým pohledem.

Záznam události zaznamenané experimentem LIGO v září 2015. Měření jsou...

Záznam události zachycené experimentem LIGO v září 2015. Měření jsou podkreslena křivkou (ta hladší), která zobrazuje teoretickou předpověď podoby vln vzniklých při spojení dvou černých děr. Shoda je nad očekávání dobrá.

Fyzikové na celém světě se těší na to, že poprvé budou moci pohlédnout na objekty, které se jinak dají pozorovat jen velmi těžko - třeba právě černé díry. Gravitační vlny putují vesmírem prakticky bez překážek na ohromné vzdálenosti (mnohem lépe než třeba světlo), a tak nám mohou otevřít nečekané obzory.

I přes svůj revoluční význam má LIGO - a další podobné pozemské detektory - své omezení. Za prvé nemohou být tak velké, jak by bylo pro zachycení gravitačních vln vhodné (ano, myslíme tím, že na naší planetě je málo místa). Za druhé v gravitačním poli Země trpí velkým šumem a na některých frekvencích jsou vysloveně nemožné - přitom frekvence gravitačních vln záleží od toho, jaké objekty je vytváří.

Proto LIGO mohlo zachytit vlny srážek středně velkých černých děr (s frekvencí řádově desítek Hertzů), ale nedokáže zachytit vlny produkované srážkami supervelkých černých děr, jaké můžeme najít třeba v jádrech galaxií. Ty totiž produkují vlny s tak nízkou frekvencí, zhruba pod desetinu Hertzu, že je na Zemi kvůli neustálé seismické aktivitě zachytit nelze. (Pro zajímavost: gravitační vlny mohou mít frekvenci zhruba od 10-18 Hz do 104 Hz, takže žádný představitelný detektor nedokáže zachytit všechny typy, ale o to ani nejde.)

Lisa Pathfinder po pozemních zkouškách a testech sbalená na cestu na kosmodrom...

Lisa Pathfinder po pozemních zkouškách a testech sbalená na cestu na kosmodrom Kourou

Abychom dali další příklad: podle fyziků by observatoř schopná zachytit gravitační vlny o velmi nízké frekvenci mohla zachytit například pád menší černé díry do její supermasivní „sestry“. To je podle fyzikální simulací hodně specifický příklad, ve kterém menší objekt putuje po poměrně komplikované dráze, která by nám mohla například prozradit, zda existuje a jak vypadá tzv. „horizont událostí“ - tedy zjednodušeně řečeno, jak vypadá hranice, zpoza které už není z černé díry úniku, a co se na ní děje. Tato zdánlivá marginálie by mohla pomoci odpovědět na některé základní otázky současné fyziky.

Nejen z tohoto důvodu fyzikové už několik desetiletí uvažují, zda by nebylo možné přesunout hon na gravitační vlny i do vesmíru. Dlouho šlo jen o sci-fi, protože technologie (lasery, měřící technika) nebyla na dostatečné úrovni. Na přelomu tisíciletí už ovšem Američané a Evropané (tedy NASA a ESA) přišli s návrhem projektu LISA, který měl mít reálnou šanci ve vesmíru gravitační vlny zachytit.

Měly ho tvořit družice, které by vytvářely ve vesmíru soustavu s rameny dlouhými zhruba pět milionů kilometrů. Princip fungování měl být velmi podobný jako u pozemských detektorů (my jsme podrobněji popisovali americké LIGO): z centrálního bodu mezi jednotlivými rameny (ve vesmíru jen pomyslnými) kmitá laserový paprsek, který je nastavený tak, aby se při setkání ve výchozím bodě dokonale vyrušil. Pokud se ale jedno rameno pro průchodu gravitačních vln protáhne nebo zkrátí, dojde k posunu fází vln obou paprsků a jejich „vyrušení“ nebude tak dokonalé. Část světla paprsku pak pronikne až k detektorům a ty vydají varování, že se „něco stalo“.

Princip detekce gravitačních vln

Princip detekce gravitačních vln

Efekt gravitačních vln

Efekt gravitačních vln

Princip se může zdát relativně jednoduchý, ale celé zařízení musí být neuvěřitelně citlivé. Vliv gravitačních vln je totiž minimální. V případě LIGO vědci měří pohyby zrcadla o velikosti zhruba 20 centimetrů s přesností zhruba tisíckrát menší než je průměr jednoho protonu, cca 10-18 metru. Protože jde o tak malé vlivy, údaje z detektorů budou navíc plné šumů, které vůbec s žádnou gravitační událostí nesouvisí. K jejich odfiltrování bude určen komplikovaný software, který se bude muset ještě ladit v případě zahájení provozu celého detektoru. A k tomu je i více než patnáct let od představení projektu stále dosti daleko.

V roce 2011 z LISy kvůli nedostatku prostředků ve svém rozpočtu odstoupila NASA. Evropa se rozhodla pokračovat, ale plán se samozřejmě dočkal velkých změn. Od té doby nese název eLISA (“evolved“ tedy pokročilá LISA, nebo také european LISA) a je to LISA v menší měřítku. Vzdálenost mezi družicemi se zmenšila z pěti milionů kilometrů na jeden milion, aby mise byla snáze realizovatelná. Pohybovat se mají v trojúhelníkové formaci po oběžné dráze kolem Slunce pár desítek milionů kilometrů za Zemí.

Externí obrázek

Pohyb plánovaného detekoru gravitačních vln eLISA vesmírem. Soustava tří družic by se měla pohybovat v konečné konfiguraci zhruba 70 milionů kilometrů od Země, aby se omezil vliv gravitace naší planety.

Po úspěšné detekci gravitačních vln projektem LIGO se neoficiálně mluví o tom, že by se celý projekt mohl uspíšit. Hovoří se o datu 2029, ale zatím opravdu nezávazně. Záležet bude samozřejmě především na penězích, o kterých ESA musí zdlouhavě vyjednávat s členskými státy. A ty nemají rády mimořádné výdaje proti plánu. Ať už ovšem mise eLISA poletí kdykoliv, musela nejprve prožít své Gemini.

Předvoj

Pro ty, kdo nezažili projekt Apollo či nejsou zarytí fanoušci kosmonautiky: Gemini byl americký projekt, při kterém se zkoušely nezbytné technologie a postupy pro úspěch letu k Měsíci, především (dnes rutinní) spojení dvou objektů na oběžné dráze. Bez této technologie by plán letů k Měsíci nefungoval. V případě gravitační observatoře eLISA plní funkci Gemini sonda LISA Pathfinder. Ta sice nedokáže měřit gravitační vlny, ale ověří se na ní klíčové postupy pro jejich měření. LISA Pathfinder je zhruba řečeno jedno miniaturizované „rameno“ detektoru zmenšené na 35 centimetrů.

Vědecké „vnitřnosti“ sondy Lisy Pathfinder. Ve vakuových komorách vpravo a...

Vědecké „vnitřnosti“ sondy Lisy Pathfinder. Ve vakuových komorách vpravo a vlevo jsou testovací „tělesa“, uprostřed pak souprava na měření jejich polohy a pohybu.

Sonda byla vypuštěna v prosinci 2015 a na místo určení vzdálené zhruba 1,5 milionu kilometrů od Země se dostala 22. ledna letošního roku. Vědecká část sondy se poté oddělila od motorů a začala obíhat kolem tzv. libračního bodu L1 mezi Zemí a Sluncem - tedy v místech, kde se gravitační vliv Země a Slunce téměř dokonale vyrovnávají, a je tak možné nejsnáze dosáhnout stavu beztíže.

V experimentální části sondy se ve vakuové komoře vznáší dvě krychle ze zlata a platiny (73 % zlata a 27 % platiny), na kterou nemají působit elektromagnetická pole v okolí. Vakuová komora se může zdát ve vesmíru nadbytečná, ale trysky sondy uvolňují malá množství plynu a konstruktéři chtěli zabránit tomu, aby plyn ovlivňoval pohyb krychlí. Komory také obsahují UV světla, která pravidelně ozařují vnitřní prostor, aby neutralizovaly případné elektrostatické náboje vzniklé třeba v důsledku zásahu krychliček vesmírným zářením.

Krychle z velmi husté slitiny mají délku stran 46 milimetrů, hmotnost zhruba dva kilogramy, a jsou přesnou obdobou plánovaných zrcadel na koncích „ramen“ eLISy. Nejsou přímo spojeny se sondou, volně plují svými vakuovými komorami, zatímco jejich mateřská sonda opatrně manévruje tak, aby je nevyrušila z klidu. Zařízení na palubě bude velmi přesně měřit jejich polohu, aby se zjistilo, zda se skutečně podařilo odstínit dostatek vnějších vlivu a je na nich teoreticky možné měřit vliv gravitačních vln. Ve skutečnosti to možné nebude, protože krychličky jsou příliš blízko u sebe (jen 35 centimetrů) - na tak malých rozměrech vliv gravitačních vln na prostor není představitelně měřitelný.

Jedno z testovacích „těles“ pro sondu LISA Pathfinder a tedy zároveň zrcadlo...

Jedno z testovacích „těles“ pro sondu LISA Pathfinder a tedy zároveň zrcadlo pro sondu misi eLISA. Jde o malou krychli o straně 46 milimetrů, ovšem použitá slitina (73 procent zlato, zbytek platina) je velmi hustá, tak malá krychlička má hmotnost zhruba dva kilogramy.

Ale na milion kilometrů, to je jiná káva. Skutečná eLISA by si s technologií použitou na LISA Pathfinder měla vést podle očekávání, oznámili v červnu po zhruba 55 dnech měření vědci, kteří mají misi na starosti (výsledky zveřejnili zároveň v práci pro časopis Physical Review Letter, který je zdarma dostupný zde). Obě testovací krychle se daří udržet v plánovaném místě s několikanásobně menšími výchylkami, než byla plánovaná hranice úspěchu pro let LISA Pathfinder, a výsledky se nad očekávání blíží „ostrým“ požadavkům pro eLISA. Vzájemné zrychlení obou krychlí bylo na úrovni femto-g, což je desetina miliontiny miliardtiny zemské přitažlivosti.

Pohyb krychlí by se měl ještě také do jisté míry uklidnit. Za jeho část totiž mohou nárazy těch několika mála molekul plynu, které ve vakuových komorách ještě zbyly od pobytu na Zemi (hezký doklad fantastické úrovně přesnosti technologie). Ale těchto srážek bude při delším pobytu ve vesmírném prostoru ubývat.

Na „zkušební tělesa“ také působí odstředivá síla vyvolaná oběhem sondy kolem bodu L1, kterou mělo být možné softwarově z výsledku odečíst, ale to se zřejmě úplně nepovedlo a jistý šum zůstává. To by se také mohlo ovšem výhledově zlepšit (půjde v podstatě jen o úpravu softwaru), takže přesnost by se snad mohla zlepšit i v tomto ohledu. Jak se z výsledku zdá, eLISA by tedy měla být po měřící stránce schůdný projekt, který bude fungovat.

Jak by se mělo postupovat v případě gravitační observatoře eLISA?

celkem hlasů: 937

Hlasování skončilo

Čtenáři hlasovali do 0:00 úterý 28. června 2016. Anketa je uzavřena.

Mise by se měla maximálně urychlit v rámci stávajícího rozpočtu ESA (tedy zřejmě zhruba na rok 2029). I tak bude dost času na přípravu, a uspíší to vědecký pokrok 497
Evropské státy by měly být pružnější, a najít peníze hned. Přínos určitě nebude bezprostřední, ale jde o důležitý základní výzkum. A Evropa by měla být v něčem dobrá. 329
Bude dobré držet se původního plánu. Je zbytečné spěchat, zvyšuje to jen pravděpodobnost neúspěchu. 111

Největší veletrh spotřební elektroniky CES, který se tradičně koná v Las Vegas, proběhne letos zcela online v termínu 11.-14. 1.

  • Nejčtenější

Kdo je tu kapitán? Výměna rolí v kokpitu vedla k tragickému konci

Vymyšlené příběhy z vojny obvykle nikoho život nestojí. Ale před třiceti lety na letišti přispěly ke smrti několika...

Tři cestující přišli o hlavu. Nehoda, která dopadla lépe, než mohla

Před 30 lety došlo v Detroitu k nevšední události. Byla to nehoda, do které se zapletly dva stroje jedné letecké...

Válka v jednom čísle. Jak Sověti na papíře vyhráli nad Západem

Sověti vyvinuli na přelomu 60. a 70. let analytickou metodu, která měla umožnit snadné srovnání vojenské techniky...

Rezervace očkování je plná zbytečných chyb. Způsobila i pád celého systému

Státní web na rezervaci očkování proti covidu-19 byl plný úplně základních chyb a zbytečných komplikací. Navíc začal...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

{POPISEK reklamního článku, také dlouhý přes dva a možná dokonce až tři řádky, končící na tři tečky...}

Dakota všem vytřela zrak. A s turbovrtulovými motory dvakrát

Žádný jiný typ letadla se délkou aktivní služby nemůže vyrovnat slavné americké Dakotě, jejíž historie se začala psát...

TEST olejů: nejhorší je kokosový, zdravější je i sádlo

Premium Na smažení a fritování, do salátů, omáček i dresinků... Do velkého srovnání olejů a tuků jsme vybrali dvacet výrobků....

Život s Ester. Není úplně málo komplikovaná, přiznává trenér Bank

Premium Je to už pět let, co od svého bratra Ondřeje přesedlal jako trenér k Ester Ledecké. Dovedl ji k olympijskému zlatu v...

Expremiér Sobotka se vrátil do pražských Stodůlek. Pořídil si byt v paneláku

Premium Expremiér Bohuslav Sobotka se v tichosti vrátil z Moravy, kam se uchýlil po odchodu z politiky, do Prahy. Jak zjistila...

  • Další z rubriky

STO OBJEVŮ: Velká hrášková revoluce v Brně změnila pohled na genetiku

Seriál Objev zákonitostí dědičnosti se řadí k milníkům v historii vědy. Muž, který položil základy genetice, se jmenoval...

STO OBJEVŮ: K prvnímu laserovému paprsku pomohl krystal rubínu

Seriál Laser je dnes všude kolem nás. Dokonce i na místech, kde byste ho vůbec nečekali. Fyzikální princip převratné...

Covidový rok očima vědce: Ukázalo se, co v běžných dobách zůstává skryto

Nejviditelnějším projevem pokroku vědy v boji proti viru SARS-CoV-2 je vakcína. Ale důvtip a vynalézavost se ukázaly i...

STO OBJEVŮ: Největší a nejstarší z objevů, zkrocení ohně, spasil lidstvo

Seriál Kdy přesně člověk zkrotil oheň a začal jej používat jako zdroj tepla, světla a lepší potravy? Nevíme. Zato je jasné, že...

WhatsApp si znepřátelil uživatele. Hromadně přecházejí na jiné platformy

Začátkem února vstoupí v platnost nové podmínky oblíbené chatovací aplikace WhatsApp, které umožní sdílet řadu nových...

Vágner ulovil Nechranického krokodýla. Bájná štika vzdorovala několik dní

Jakub Vágner procestoval svět v honbě za gigantickými a vzácnými rybami. V minisérii České televize pátrá po legendách...

Vytetovaná sexuální instrukce zaráží i mého gynekologa, líčila dívka

Nesedí k ní, ale onen vulgární sexuální povel má na podbřišku opravdu vytetovaný. Vznikl jako rozpustilá, hrdá,...

Evropě hrozil masivní blackout. Rakušané narychlo zapojili jádro i uhlí

Kvůli silnému poklesu frekvence v elektrické přenosové soustavě hrozil v pátek Evropě masivní výpadek dodávek...

Dopisy od Němcové jeho žena spálila, říká potomkyně spisovatelčina milence

Irena Maňáková promluvila o vztahu svého předka Václava Bolemíra Nebeského s Boženou Němcovou. Básník byl jedním z...