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 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 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
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.
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 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 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.
