Nobelova cena pro tři lovceTři 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.
