Tým německých, britských a amerických vědců se od konce června po příštích osmnáct měsíců bude snažit zachytit do dnešní doby nepozorované gravitační vlny a dokázat tak jedinou dosud netestovanou předpověď Einsteinovy obecné teorie relativity.
Potvrzení existence gravitačních vln umožní nástup nové, temné astronomie, která podstatně rozšíří naše poznání vesmíru. Laboratoř GEO 600 poblíž Hanoveru a s ní spolupracující americké observatoře LIGO možná budou první, kterým se to podaří.
Dokážeme pozorovat 96 % vesmíru
„Když během pár příštích měsíců v našem blízkém okolí vybuchne supernova, máme dobré šance na zjištění a změření v důsledku toho vzniklých gravitačních vln. První krok ke gravitačně-vlnové astronomii byl učiněn, nakonec budeme schopni pozorovat 96% vesmíru, který je až do teď před námi skryt,“ říká profesor Karsten Danzmann, vedoucí Mezinárodního centra pro gravitační fyziku v Hanoveru.
Profesor Jim Hough z Glasgowské univerzity dodává: „Pokud jde o šance na detekci gravitačních vln v příštích osmnácti měsících, jsem optimista“. Když sázková kancelář Ladbrokes vypsala na detekci gravitačních vln do roku 2010 kurs 1 : 500, byl profesor Hough jedním z prvních, kdo si vsadil. Kurs poté během několika dní spadl na 1 : 2 a nakonec bylo přijímání sázek ukončeno. Bookmakeři pochopili, že se možná přepočítali.
Simulace gravitační vlny
Výzva moderní fyziky
Přímé měření gravitačních vln je jednou z největších výzev moderní fyziky, protože to znamená počátek cesty vedoucí k pozorování až dosud nepřístupných míst vesmíru. Tradiční astronomie, založená na elektromagnetickém záření, totiž může zkoumat pouze 4% veškeré hmoty ve vesmíru, zbytek tvoří tzv. temná hmota a temná energie, jejichž pozorování jsou dnešní technikou nedostupné.
“Jsme velmi nedočkaví a zvědaví, jaké nové pohledy nám to přinese. Otevíráme novou kapitolu astronomie, která umožní přímé pozorování odvrácené strany našeho vesmíru – černých děr, temné hmoty a ozvěny Velkého třesku,“ pokračuje profesor Danzmann.
Simulace gravitační vlny
Gravitační vlny – vibrace časoprostoru
Albert Einstein ve své obecné teorii relativity nastínil zcela nový pohled na gravitaci. Na rozdíl on Newtona v ní nevidí projev síly, ale chápe ji jako deformaci časoprostoru. Čas a prostor nejsou oddělené, tvoří jediný celek.
Zjednodušeně řečeno: hmota říká časoprostoru, jak se má deformovat, a ten zase hmotě, jak se pohybovat. Tudíž pohyb hmoty je ovlivněn deformací prostoru, kterou způsobuje jiná hmota. A to je příčinou vzájemného přitahování hmoty. Einstein však ve svých úvahách šel ještě dál - oproti Newtonově teorii gravitace je jeho pojetí dynamické, to znamená, že časoprostor se přítomností hmoty nejenom deformuje, ale může také vibrovat, například když se zdroj deformací pohybuje. A právě tyto vibrace časoprostoru jsou gravitační vlny. Vlastně tedy jde o periodická zakřivení prostoru a času, která se šíří od svého zdroje, podobně a stejnou rychlostí jako například vlny elektromagnetické.
Simulace gravitační vlny
Einstein to předpověděl
Když Albert Einstein v roce 1916 existenci gravitačních vln předpověděl, v žádném případě nemohl doufat, že by se potvrzení tohoto nesmírně obtížně zachytitelného jevu dožil. Na to bylo tehdejší experimentální vybavení příliš primitivní. Ostatně ke kýženému cíli nevedly ani snahy mnoha experimentátorů v průběhu celého dvacátého století.
Za zmínku stojí zejména pionýrské úsilí Josepha Webera, který v šedesátých letech minulého století pro tyto účely navrhl a sestrojil řadu tzv. rezonančních detektorů. Gravitační vlny svému odhalení stále úspěšně odolávaly.
Dosud byla jejich existence ověřena pouze nepřímým důkazem, měřením systému dvou kolem sebe obíhajích neutronových hvězd, které v roce 1974 provedli Joseph Taylor a Russell Huls. Zjistili, že oběžná doba systému se pravidelně zkracuje přesně o hodnotu předpovězenou Einsteinovou teorií, což je způsobeno právě tím, že systém ztrácí svou energii vyzařováním gravitačních vln.
Jak se měří gravitační vlny
Měření gravitačních vln není vůbec snadné. Jde o problém nejen fyzikální, ale i technický a technologický, neboť gravitační vlny jsou velmi slabé, (navíc jejich účinek ubývá se vzdáleností od jejich zdroje), a proto jsou na měřicí zařízení kladeny extrémní nároky, zvláště pokud jde o jeho citlivost. Ta je požadována v řádu 10-21 , což je opravdu velice malé číslo. Jen pro představu – stejné citlivosti bychom dosáhli, kdyby se nám podařilo určit vzdálenost Země od Slunce s přesností rozměru jediného atomu.
Protože vyrobit gravitační vlny v laboratoři je zhola nemožné, musí se vědci ve svých bádáních soustředit na vlny pocházející z vesmíru. V tom případě jako zdroje detekovatelných gravitačních vln přicházejí v úvahu pouze rychle se pohybující velmi hmotné objekty, tedy neutronové hvězdy nebo černé díry, případně vybuchující supernovy, ale i tak jsou měření velmi náročná.
Současná věda ale už potřebným detekčním zařízením s požadovanou citlivostí disponuje, a má jich dokonce více. Jsou to laserové interferometry. Jedním z nich je právě zmíněný detektor gravitačních vln GEO 600, společný projekt Ústavu pro gravitační fyziku Maxe Plancka, Hanoverské univerzity a univerzit z Cardiffu a Glasgow.
Interferometr tvoří dvě vakuové komory – na sebe navzájem kolmá ramena dlouhá 600 metrů uspořádaná do tvaru L. Laserový paprsek je rozdělen na dva a ty se dál šíří oběmi komorami, na jejich konci se odráží zpět a poté se znovu spojí ve fotodetektoru.
Délka ramen byla záměrně zvolena tak, aby fáze vracejícího se světla byla posunuta o 180°, takže se oba paprsky po spojení vyruší a výsledkem je tma. Při průchodu gravitačních vln by došlo k prostorovým deformacím a tedy i k deformacím měřicích ramen, následkem čehož by došlo k posunu světelných fází a objevil by se záblesk světla. V GEO 600 lze ještě výstupní signál několikrát superponovat pomocí soustavy zrcadel, v tom se od ostatních interferometrů liší.
Navrhnout a vyrobit takové měřicí zařízení není pochopitelně vůbec snadné, především je zapotřebí vyvinout precizní optický systém s vysoce stabilním laserem a kvalitní soustavou zrcadel, vše udržovat ve velmi vysokém vakuu a ještě k tomu zajistit dokonalou izolaci od vnějších vibrací (seizmická aktivita). K tomu připočteme jeho nemalé rozměry. GEO 600 je částí světové sítě detektorů gravitačních vln.
Dva detektory se nacházejí v USA (LIGO, délka ramen: 4km, jeden v Itálii (VIRGO, délka ramen: 3 km) a jeden v Japonsku (TAMA 300, ramena o délce 300 m). Mít k dispozici víc detektorů je velmi důležité nejenom pro vyloučení eventuálních lokálních vlivů, ale i pro získání dalších, dodatečných informací, jako je například určení pozice zdroje gravitačních vln. Proto se musí měření provádět na více (vzdálených) místech současně.
A budoucnost?
Vědci hledí do budoucnosti zkoumání vesmíru pomocí gravitačních vln skutečně optimisticky.
Očekává se, že v průběhu několika příštích let se mnoha plánovanými vylepšeními pozemských detektorů dosáhne takřka neuvěřitelné citlivosti řádu 10-23. Lepší funkčnosti lze dosáhnout zvětšením délky ramen, ale protože se zvětšování ramen interferometrů, zejména s ohledem na vakuum uvnitř, ukazuje pro další rozvoj interferometrů jako limitující faktor, uvažují NASA a ESA (Evropská kosmická agentura) o společné výstavbě interferometru LISA (Laser Interferometer Space Antenna) v kosmickém prostoru.
Mělo by jednat o soustavu tří družic tvořících vrcholy rovnostranného trojúhelníka o stranách 5 milionů kilometrů obíhající kolem Slunce ve stejné vzdálenosti jako Země. Díky obrovským rozměrům (a bez jakýchkoli rušivých seizmických vlivů) bude u tohoto detektoru signál na rozdíl od dnešních detektorů výrazně (o několik řádů) převyšovat šum, čímž se astronomii otevře skutečné nové okno do vesmíru dokořán.
