Úvodní strana  >  Články  >  Vzdálený vesmír  >  Gravitační vlny potvrzeny
Michal Hron Vytisknout článek

Gravitační vlny potvrzeny

LIGO detekoval gravitační vlny ze slučujících se černých děr.
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.

Zdroje gravitačních vln detekovaných aparaturou LISA Autor: Airbus Defence and Space
Zdroje gravitačních vln detekovaných aparaturou LISA
Autor: Airbus Defence and Space
Na stole jsou ale i plány pro ambicióznější projekty. V lednu 2016 se po necelém roce putování na své místo dostala družice LISA Pathfinder, která testuje klíčové technologie pro budoucí misi eLISA. eLisa je mise, jejíž vypuštění je plánováno na rok 2034, sestávající ze tří jednotek vzdálených milion kilometrů, které budou detekovat gravitační vlny narušující laserové paprsky mezi jednotlivými družicemi.

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.

Štítky: LIGO, Gravitační vlny, LISA Pathfinder, ELISA


36. vesmírný týden 2025

36. vesmírný týden 2025

Přehled událostí na obloze a v kosmonautice od 1. 9. do 7. 9. 2025. Měsíc bude v neděli v úplňku a 7. 9. nastane úplné zatmění Měsíce. Planety se dají pozorovat na ranní obloze, Saturn už celou noc. Slunce je aktivní a nastala erupce, po které nelze vyloučit slabší polární záři. Nejsilnější nosič současnosti Super Heavy úspěšně vynesl loď Starship, která následně úspěšně přečkala ohnivé peklo a dosedla na plánovaném místě v oceánu.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Temná mlhovina Barnard 150

Titul Česká astrofotografie měsíce za červenec 2025 obdržel snímek „Temná mlhovina Barnard 150“, jehož autorem je astrofotograf Václav Kubeš       Dávno, opravdu dávno již tomu. Někdy v době, kdy do Evropy začali pronikat Slované a začala se formovat Velkomoravská říše, v době, kdy Frankové

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

NGC7293 Helix

The “Snail,” or NGC 7293—the Helix Nebula—is the nearest and also the brightest planetary nebula, located in the constellation Aquarius. It ranks among the best-known planetary nebulae. The Snail Nebula is approximately 650 light-years from Earth. It formed about 25,000 years ago and is expanding at a velocity of 24 km/s. Thanks to its brightness of magnitude 7.3 and an apparent diameter of roughly 15 arcminutes, it is easy to observe with a telescope (or binoculars). It is also a very rewarding target for amateur observations. It is our nearest and, despite the NGC designation, the brightest planetary nebula in the sky. It is also the most extensive nebula in the sky, which is actually a drawback: despite its high total magnitude, its surface brightness is low. For this reason it was not discovered by Herschel and does not appear in Messier’s catalogue. Its true diameter is about 1.5 light-years, and it formed about 25,000 years ago when the progenitor star shed the outer layers of its atmosphere. The stellar core has become a white dwarf with a surface temperature of 130,000 °C and an apparent magnitude of 13.3. Owing to its high temperature, its radiation is predominantly ultraviolet and it can be seen only with a large telescope. The white dwarf illuminates its ejected envelopes—the nebula itself—which is expanding at 24 km/s. Once, this nebula was a star similar to our Sun—the view into the Helix Nebula reveals our very distant future. Within this nebula, as in many others, there are peculiar structures called cometary knots. They were first observed in 1996 in the Helix Nebula. They resemble comets in appearance but are incomparably larger: their heads alone reach twice the size of the Solar System, and their tails, pointing radially away from the central star, are up to 100 times the Solar System’s diameter. They expand at 10 km/s. Although they have nothing to do with real comets, part of their material may have originated in the progenitor star’s Oort cloud, which evaporated in the final stage of its evolution. These remarkable structures likely arose when a later, hotter shell ejected by the star ploughed into an earlier, cooler shell. The collision fragmented the shells into pieces, creating comet-like forms. It is possible that dust particles within the cometary knots gradually stick together to form compact icy bodies similar to Pluto. Equipment: SkyWatcher NEQ6 Pro, GSO Newtonian astrograph 200/800 (200/600 f/3), Starizona Nexus 0.75× coma corrector, Touptek ATR585M, AFW-M, Touptek LRGBSHO filters, Gemini EAF focuser, guiding via TS off-axis guider + PlayerOne Ceres-C, SVBony 241 power hub, automated backyard observatory with my own OCS (Observatory Control System). Software: NINA, Astro Pixel Processor, GraXpert, PixInsight, Adobe Photoshop Lights: 48×180 s R, 43×180 s G, 49×180 s B, 76×120 s L, 153×360 s H-alpha, 24×900 s OIII; master bias, flats, master darks, master dark flats Gain 150, Offset 300. July 24 to August 30, 2025 Belá nad Cirochou, northeastern Slovakia, Bortle 4

Další informace »