Gravitační vlny potvrzeny
Autor: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State U.)
Sto let po jejich teoretickém předpovězení, oznámilo vědecké pracoviště LIGO úspěšné pozorování gravitačních vln. Tým vědců zaznamenal zvuk způsobený kolizí dvou černých děr. Toto pozorování naplinilo poslední z předpovědí vycházející z obecné teorie relativity a otevírá nové možnosti výzkumu jevů souvisejících s především posledními fázemi životních stádií hvězd.
Pozorování oznámené ve čtvrtek 11. února 2016 na tiskové konferenci NSF popisuje záznam instrumentu LIGO z 14. září 2015. Bylo zaznamenáno zčeření časoprostoru kolizí dvou černých děr, každá o hmotnosti okolo třiceti hmotností Slunce. K pozorované události došlo před více než miliardou let. Interpretace záznamu, který je dlouhý pouhý zlomek sekundy, vypráví příběh dvou objektů, které kolem sebe začnou obíhat rychlostí třiceti oběhů za sekundu, postupně zrychlují až na hodnotu 250 oběhů za sekundu, až nakonec dojde ke kolizi a jejich splynutí do jediné rotující, supermasivní černé díry. Pro krátký moment tento jev produkoval více energie než světlo všech hvězd vesmíru.
Vědecké zařízení, které objev uskutečnilo, nese název LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) je společným projektem iniciovaným MIT a Caltech s participací celkem patnácti států a 83 institucí. Hlavní součástí projektu jsou dvě zařízení umístěná USA (Livingston, Louisiana; Hanford, Washington), která pracují dohromady jako jeden instrument. Oba pozorovací instrumenty sestávají z centrální budovy s detektorem, ze které vychází dva laserové paprsky ve dvou směrech svírajících pravý úhel. Každý z těchto paprsků putuje vlastním čtyřkilometrovým vakuovým tunelem, který je ukončený zrcadlem, odrážející paprsek zpátky ke svému zdroji. Oba dva paprsky se po návratu do centrální budovy vzájemně vyruší. Pokud ovšem časoprostorem prochází gravitační vlna, jeden z vakuových tunelů se prodlužuje, zatímco druhý se zkracuje. To způsobí, že dva laserové paprsky již nejsou perfektně srovnané a nedojde k jejich vyrušení.
Video: Princip interferometru LIGO
Einstein popsal v obecné teorii relativity situaci dvou, vzájemně se obíhajících černých děr. Předpovídá, že černé díry budou ztrácet energii vyzařováním gravitačních vln. V důsledku toho se budou po miliardy let pomalu přibližovat až se přiblíží natolik, že v okamžiku dojde k ohromnému zrychlení oběhové rychlosti, a nakonec jejich sloučení. Jejich maximální rychlost by měla dosáhnout až poloviny rychlosti světla. Při jejich sloučení je část jejich hmoty přeměněna v energii, která je uvolněna jako poslední silný poryv gravitačních vln. Tento poslední poryv byl právě to, co napozorovaly instrumenty LIGO.
Video: Splynnutí dvou černých děr
(viz také Astronomický snímek dne)
Gravitační vlny byly nepřímo potvrzeny již v sedmdesátých a osmdesátých letech a to díky pozorování binárního pulzaru PSR 1913+16, jehož složky se vzájemně přibližovaly, což odpovídalo Einsteinovým teoriím. Pulsar, obíhající neutronovou hvězdu, vyzařoval energie v podobě gravitačních vln, což způsobovalo jeho postupné přibližování k neutronové hvězdě. Gravitační vlny, ovšem tehdy ještě nebyly napozorovány. Důležitost tohoto objevu potvrzuje jeho ocenění Nobelovou cenou v roce 1993.
Instrumenty LIGO se o tento objev pokoušely už mezi lety 2002 až 2010, tehdy ale k napozorování nedošlo. Po několikaleté odstávce a modernizaci vybavení, které výrazně zvýšilo jejich citlivost, bylo pozorování v září roku 2015 znovu obnoveno. Zanedlouho po obnovení provozu s novým vybavením byl objev na světe. Protože detektor v Louisianě zaznamenal tuto událost o několik milisekund dříve, bylo možné tvrdit, že zdroj gravitační vlny byl někde na jižní obloze.
Krátce po naměření fenoménu v září 2015 instrumenty zaznamenaly podobný, slabší signál, patrně rovněž produkovaný černou dírou. V průběhu prvního běhu modernizovaného systému LIGO byly zaznamenány dokonce celkem čtyři události. Druhý běh bude spuštěn letos v létě a vědci opět čekají úspěšná měření. Navíc, na podzim dojde ke spuštění podobného evropského zařízení (Advanced Virgo) v Itálii. Plány zapojit se do pozorování gravitačních vln má i Indie a Japonsko. Teď, když jsou gravitační vlny definitivně potvrzené, dá se předpokládat, že se o jejich detekci a použití pro porozumění kosmologických jevů bude pokoušet více vědeckých pracovišť.
Autor: Airbus Defence and Space
Objev gravitačních vln je nádhernou ukázkou vědecké metody v praxi. Myšlenka gravitačních vln si prošla celou cestu od teoretické předpovědi až k experimentálnímu potvrzení. Nejprve bylo spočítáno, co by mělo být detekovatelné a jak by podle modelu mělo úspěšné pozorování vypadat. Byl navržen experiment, pro který byla vyvinuta vědecká aparatura, která po letech vývoje dosáhla potřebné přesnosti. V poslední fázi byl jev úspěšně napozorován.
Význam objevu gravitačních vln je triumfem vědecké metody, potvrzením správnosti obecné teorie relativity a příslibem nového typu astronomických pozorování do budoucna. Potvrzení gravitačních vln otevírá dveře jejich použití pro pozorování astronomických jevů týkajících se zejména konce životního cyklu hvězd: zániky hvězd kvůli kolizím, černým dírám a další kosmické katastrofy doprovázené uvolněním obrovských množství energie.
Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Snímek dne NASA z 11. února 2016
[2] Snímek dne NASA z 12. února 2016
[3] Oficiální stránky projektu LIGO
[4] Záznam z konference NSF 11. února 2016 (anglicky)
O autorovi
Michal Hron
Člen Západočeské pobočky České astronomické společnosti. Vyrostl pod kopcem s rokycanskou Hvězdárnou. Zapadl do kolektivu kroužku hvězdárny v Plzni, kde se stal jedním z pravidelných účastníků letního pozorovacího praktika. V Plzni později dobrovolnická práce přešla v částečný úvazek. Na možnost rozvíjet astronomii jako koníčka dostal i při studijních pobytech v USA. Obloha z Mauna Kea nebo Yosemitského národního parku patří mezi nejsilnější vzpomínky. Podílel se na ustanovení Manětínské oblasti tmavé oblohy a pravidelně pomáhá při organizaci akcí pro veřejnost. Dokončuje studium na Anglo-Americké Vysoké škole v Praze. Navštivte Stránky autora.
