Premium

Získejte všechny články mimořádně
jen za 49 Kč/3 měsíce

Čtvrtek navždy změnil náš pohled na vesmír. Vědci zachytili gravitační vlny

  18:50aktualizováno  19:54
Fyzikům se poprvé podařilo přímo zachytit teorií relativity předpovězené gravitační vlny. Lidstvu se tak poprvé otevřelo zcela nové okno do vesmíru, kdy budeme moci zkoumat například černé díry.
Záběr z instalace nového laseru do experimentu LIGO během jeho modernizace na...

Záběr z instalace nového laseru do experimentu LIGO během jeho modernizace na Advanced LIGO | foto: LIGO collaboration

Nobelova cena pro tři lovce

Tři vědci z týmu LIGO, jmenovitě Rainer Weiss, Barry Barish a Kip Thorne, se stali nositeli Nobelovy cenu za fyziku pro rok 2017.

Když Albert Einstein během první světové války začal psát novou kapitolu v dějinách fyziky, ne všechny důsledky jeho teorie se mu líbily. Brzy po zveřejnění obecné teorie relativity si například uvědomil, že gravitace se může projevit vznikem vln, které svým chováním připomínají třeba světlo (nebo jiné elektromagnetické záření). Tyto vlny ovšem deformují (hodně nepřesně řečeno „natahují“ a „smršťují“) samotný prostor. Vznikají, když se nějaká hmotná tělesa zrychlují, nebo zpomalují, ale vzhledem k povaze gravitace jsou velmi slabé, a tak je můžeme pozorovat jen v případě pohybu skutečně ohromných objektů, které dramaticky mění rychlost.

Výpočty, které Einstein údajně prováděl už během roku 1916, ukázaly, že tyto vlny budou tak slabé, že se stávajícím vybavením a vědomostmi o vesmíru (nevěděl třeba, že existují tak hmotné objekty jako černé díry) je nebude možné zachytit. Trvalo téměř sto let, než jeho následovníci dokázali pesimistickou předpověď německého fyzika opravit.

Záznam události zaznamenané 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.

Ve čtvrtek 11. února experiment LIGO oznámil, že jeho detektory Einsteinem předpovězené gravitační vlny poprvé přímo zachytily. Signál detekovaly oba detektory, a to s rozdílem několika milisekund, což odpovídá době, za kterou gravitační vlny pohybující se rychlostí světla urazí vzdálenost několika tisíc kilometrů mezi detektory. Potvrdily se tak zvěsti, které mezi fyziky kolují už několik měsíců.

K zachycení vln došlo 14. září 2015, tedy v době, kdy experiment LIGO (nově nazývaný vlastně Advanced LIGO) po dlouhé modernizaci teprve nastupoval do plného provozu. Všechny systémy běžely naplno, ale oficiálně měl sběr vědeckých dat začít až o tři dny později. I proto vědci důkladně prověřovali možnost, zda nejde o signál vzniklý náhodou během testů zařízení.

Jak to funguje?

Podívejte se na schématické znázornění experimentu LIGO

Srážka černých děr

Princip detekce

Efekt gravitačních vln

Mimo lidskou představivost

Zachycené gravitační vznikly při události, která svým rozsahem přesahuje měřítka lidské zkušenosti a téměř i představivosti. Vznikly v důsledku srážky černých děr, které se po dlouhém „soužití“ před 1 až 1,5 miliardou let spojily v jednu. Jejich hmotnost se pohybovala kolem 30 a 35 Sluncí (s poměrně velkou nejistotou, takže to mohlo být i třeba 25 a 30 Sluncí).

David Reitze, šéf týmu pracujícího na experimentu LIGO na Kalifornské technice (Caltech) ukazuje, jak by vypadalo spojení dvou černých děr z pohledu přímého pozorovatele. Jde o výsledek fyzikální simulace, ne jen ilustraci.

Objekty by podle teoretiků měly mít průměr zhruba 150 kilometrů a jejich spojením vznikla nová černá díra o hmotnosti o něco menší, než byl součet hmotností původních objektů. A to proto, že energie odpovídající zhruba hmotností tří Sluncí se během události vyzářila v podobě gravitačních vln.

Během zhruba 20 milisekund se tak uvolnila energie přibližně padesátkrát větší, než kolik jí za stejnou dobu vyzářily všechny hvězdy ve vesmíru. Mimochodem, šlo o událost, která byla pro potřeby LIGO prakticky ideální: gravitační vlny mají stejně jako světlo různé frekvence a LIGO bylo téměř přesně vyladěno právě na vlny, jaké vznikají při srážkách černých děr o hmotnosti zhruba desítek Sluncí.

Přesná poloha nové černé díry na obloze není zatím známa, protože dva detektory k určení polohy nestačí. Možnosti lokalizace událostí na obloze by se měly výrazně zlepšit letos na podzim, kdy se k dvěma americkým experimentům LIGO přidá evropské VIRGO.

Nový pohled na vesmír

Pohled na jedno z ramen experimentu LIGO ve státě Washington

O detektoru LIGO jsme nedávno psali podrobněji, přibližme si ho tedy nyní jen krátce. Jde o dvě zařízení vzdálená od sebe několik tisíc kilometrů ve dvou různých státech USA. Každé z nich tvoří dva vakuové tubusy umístěné kolmo k sobě s délkou zhruba čtyř kilometrů, kterými během experimentu probíhá tam a zpět laserový paprsek rozdělený zrcadly do dvou zcela identických svazků. Každý zamíří do jiného tubusu, kde ho na konci čeká další zrcadlo. Paprsky se tak vracejí zpět „na start“. V ideálním případě by se při opětovném setkání měly v podstatě vyrušit, protože se jejich vlny setkají v právě opačné fázi.

Pokud se ovšem dráha jednoho paprsku z nějakého důvodu změní, setkání nedopadne zcela ideálně a světelné detektory naměří výkyv v intenzitě paprsku. A jedním z důvodů, proč by se měla dráha paprsku prodloužit, jsou právě gravitační vlny, které natáhnou a zase smrští prostor tunelu (je to velmi zjednodušující vysvětlení, více si můžete přečíst v již zmiňovaném starším článku).

V praxi nápad komplikuje celá řada vnějších vlivů, které jsou v drtivé většině silnější než předpokládané gravitační vlny. LIGO se tyto vlivy snaží kompenzovat celou řadou často neskutečně rafinovaných technických opatření. Základem je, že celá optická soustava je umístěna na několika sadách „tlumičů“, které mají odrušit třeba vibrace přenášené v půdě.

Optická soustava detektoru LIGO s částí posledního (čtvrtého) tlumiče, na kterém je zavěšena, aby se minimalizovaly okolní vlivy na měření.

Díky kombinaci mnoha takových opatření dosahuje zařízení fantastické citlivosti. Změny v délce tunelu měří s přesností zhruba 10-18 metru. To je těžko představitelné číslo, ale vlastně stačí, když vydělíte jeden metr milionem, pak znovu milionem a ještě jednou milionem. Po prvním dělení se dostanete zhruba na velikost buňky, po dalším na procenta průměru rozměru atomu. Po třetím pak na promile průměru jednoho protonu.

Důležitost objevu není ani tak v tom, že by se jím prokazovala platnost Einsteinovy obecné teorie relativity, tu podporuje už celá řada důkazů. Dokonce už máme i nepřímý důkaz o existenci gravitačních vln. Je jím pozorování dvou těsně kolem sebe rychle obíhajících hmotných hvězd, které postupně ztrácejí energii tempem přesně odpovídajícím Einsteinovým výpočtům (pulsar PSR B1913+16). Zajímavý, ale také ne zcela zásadní, je i fakt, že pozorování je vlastně vůbec první přímý důkaz existence černých „dvouděr“, tedy soustav dvou kolem sebe obíhajících černých děr.

Nejdůležitější totiž je, že LIGO tímto výsledkem ověřilo možnost pozorování gravitačních vln jako takových. Fyzici a astronomové nyní poprvé jasně vidí, že existuje nový a zatím nepoužívaný způsob, jak nahlédnout do vesmíru na objekty, které jsme zatím přímo vůbec pozorovat nemohli, třeba právě černé díry. Bohužel jde o zařízení technicky náročná, a tedy i nákladná, takže třeba v Ondřejově v dohledné době žádný „gravitační teleskop“ asi stát nebude. Postupem let by však měla vzniknout výkonnější a citlivější zařízení této třídy, třeba jako plánovaná evropská vesmírná gravitační laboratoř eLISA. A od nich by se dala rozumně očekávat celá řada nových a nečekaných objevů.

Aktualizace: Do článku jsme doplnili ilustraci pro vysvětlení experimentu.

  • Nejčtenější

KVÍZ: Zapomenuté funkce domácí techniky, po kterých se už nikomu nestýská

v diskusi je 19 příspěvků

13. května 2024

Byly běžnou součástí životů vás, vašich rodičů nebo prarodičů. Většinu z nich dnes však nikdo...

Sověti neuměli zkonstruovat těžký tank. Pomohl jim až německý inženýr

v diskusi je 49 příspěvků

19. května 2024

Když je řeč o sovětských těžkých tancích, výčet zpravidla začíná pětivěžovým typem T-35. Jenže...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Pět věcí, které byste s Windows měli dělat, ale možná neděláte, a naopak

v diskusi je 10 příspěvků

15. května 2024

Možná prakticky ihned po instalaci, při prvním spuštění nového PC nebo později deaktivujete některé...

Umělá inteligence od OpenAI má nový pohon. A rovnou ho dává zadarmo

v diskusi je 9 příspěvků

13. května 2024  20:34

Společnost OpenAI vůbec poprvé pořádala živé představení svých pokroků. Hlavní novinkou se stala...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Panasonic překvapil, jeden opuštěný operační systém nahradily dva nové

v diskusi je 15 příspěvků

17. května 2024

Düsseldorf (Od zpravodaje Technet.cz) Když odhlédneme od kvality zobrazovacího panelu a obvodů zpracovávajících obraz, je operační systém...

Věci, které by ve Windows 11 měli ihned opravit

v diskusi je 20 příspěvků

20. května 2024

Windows 11 z uživatelského pohledu nastavuje zrcadlo budoucnosti. Nacházejí se v něm věci uživateli...

Beneš se Mussoliniho neštítil. Před 100 lety s ním vyjednal mezistátní smlouvu

v diskusi je 34 příspěvků

19. května 2024  10:30

V polovině května 1924 jednal československý ministr zahraničí Edvard Beneš v Římě s italským...

Sověti neuměli zkonstruovat těžký tank. Pomohl jim až německý inženýr

v diskusi je 49 příspěvků

19. května 2024

Když je řeč o sovětských těžkých tancích, výčet zpravidla začíná pětivěžovým typem T-35. Jenže...

Jak Muskova firma vyřešila problém prvního čipu v mozku člověka

v diskusi je 5 příspěvků

18. května 2024

Neuralink je jedna z firem Elona Muska, o které se mnoho mluví. V lednu totiž zavedli její...

Bohužel nám to nevyšlo, oznámili manželé Pagáčovi rozchod po šesti letech

Herečka Patricie Pagáčová (35) a dramaturg Tibor Pagáč (32) se rozešli po pěti letech manželství. Žádost o rozvod zatím...

Zemřel Vlastimil Harapes. Baletní mistr Národního divadla i českých filmů

Ve věku 77 let zemřel tanečník a herec Vlastimil Harapes. Dlouhá léta byl sólistou baletu Národního divadla. Zahrál si...

Anální sex je výzva. Nejvíc tabu je však v Česku jiná praktika, říká průzkum

Erotické hračky nepředstavují podezřelou exotiku, v ložnicích jsou jako doma. Ostatně jako masturbace. I orální sex....

Svěrák se na mě nedíval jen jako na hezkou buchtu, říká Radka Pavlovčinová

Jan Svěrák ji vidí jako robotku. Radka Pavlovčinová v nové hře filmového a teď už i divadelního režiséra hraje umělou...

Plné divadlo i bazilika. Nad rakví Postlerové mluvila dcera, Töpfer i Šťastný

S herečkou Simonou Postlerovou se v prostorách Divadla na Vinohradech rozloučili kolegové i veřejnost. Nad rakví...