Středa 6. července 2022, Den upálení mistra Jana Husa
  • schránka
  • Přihlásit Můj účet
  • Středa 6. července 2022 Den upálení mistra Jana Husa

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 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

Česká houfnice Morana se zařadila mezi hvězdy veletrhu obrany

Advertorial Eurosatory je nejvýznamnější evropský veletrh obranné a bezpečnostní techniky. Letos se kvůli covidu konal po čtyřleté...

Stop pro letoun F-35? Švýcaři prověřují podezřelé nesrovnalosti v tendru

Úspěšné tažení letounů F-35 Evropou v roce 2021 pokračovalo ve Finsku a Švýcarsku. V alpské zemi se však nad nákupem...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Gripen versus F-35. Ve finále výběru neuškodí zvážit všechna pro a proti

Výběr budoucích stíhacích letounů pro české letectvo jde do finále a zdá se, že i jako v některých jiných evropských...

Váháte s upgradem na Windows 11? Tyto informace byste měli vědět

Nejnovější verzi operačního systému Windows 11 přijímají uživatelé po celém světě. Přestože nikdo není nucen na novou...

{NADPIS reklamního článku dlouhý přes dva řádky}

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

Za bouřky jděte dovnitř, před bleskem ochrání také les. Hlavně si nelehejte

Premium Letní bouřka umí rozehrát fascinující show. Blesky srší k zemi, rozsvěcují oblohu. Hlavně si dejte pozor, abyste byli...

Cesta do Chorvatska 2022: Jak projet rozkopané Slovinsko a tankovat v Maďarsku

Premium Dobrá zpráva pro dovolenkáře mířící autem na Jadran. Cesta byla letos hladká, na nejrychlejší trase přes Vídeň, Graz...

Zbraně, které zaskočily Putina: „Muskovo“ bombardování

Premium Už druhý den po nočním překročení hranic měli triumfálně projíždět centrem Kyjeva, po čtyřech měsících místo toho vězí...

Jet sto třicet, nebo zpomalit? Na dálnici můžete uspořit litry paliva

Premium Ceny paliv opět atakují rekordy. Také si všímáte, o kolik víc řidičů jezdí poslední měsíce „na spotřebu“? Vyzkoušeli...

  • Další z rubriky

Rex zřejmě není jediný tyranosaurus, doplnit ho může císař a královna

Od roku 1905, kdy byl formálně popsán obří teropodní dinosaurus druhu Tyrannosaurus rex, se jeho vědecké jméno (často...

Chlapci z Cesty do pravěku by koukali, jak si nyní představujeme stegosaura

Mezi nejvíc ikonické scény z proslulého československého snímku Cesta do pravěku patří i ta, kdy čtveřice hlavních...

Zajímavý dinosaurus, na kterého se na celá desetiletí zapomnělo

V roce 1937 byly vědecky popsány dva nové rody neptačích dinosaurů. Jedním byl méně známý Jaxartosaurus aralensis z...

Vědci už asi vědí, zda byli dinosauři teplokrevní

Druhohorní neptačí dinosauři byli v některých případech teplokrevní podobně jako jejich vývojoví potomci ptáci. V tomto...

Akční letáky
Akční letáky

Prohlédněte si akční letáky všech obchodů hezky na jednom místě!

Ne, ne, já nemusím, já už ho vidím. Holčička z reklamy na Kofolu se vrací

Malá holčička z vánoční „prasátkové“ reklamy na Kofolu, ve které zazněly hlášky „a bude mít ty velký zahnutý zuby...

Pavla Tomicová výrazně zhubla a s kolegy oslavila šedesátiny

Pavla Tomicová měla s Dášou Zázvůrkovou v květnu nehodu, když do kolegyniny Vespy před Národním divadlem nabouralo...

Herec a režisér Vojtěch Kotek se oženil. S partnerkou chodili více než rok

Herec Vojtěch Kotek (34) se ve čtvrtek oženil. Podle webu Expres.cz si vzal přítelkyni Radanu, se kterou chodí více než...

Móda z Varů: Luxus i lacinost. Sexy Ramba a Plodková. Třeštíková přestřelila

Na červeném koberci zazářily v den slavnostního zahájení 56. ročníku karlovarského filmového festivalu v luxusních...

Ruská ekonomika se hroutí, už není pochyb, ukazují nová statistická data

Ekonomika v Rusku se postupně hroutí, píše americký týdeník Newsweek. Průmyslová výroba se propadla hned v několika...