Gravitační vlny opět na scéně

sobota 25. červen 2016 21:18

Ve středu 15. června oznámila kolaborace LIGO na tiskové konferenci, že na druhý svátek vánoční loňského roku zaznamenal jejich detektor gravitačních signál, který tým cca tisíce vědců a inženýrů interpretoval jako průlet gravitační vlny, podobné té, kterou detektor LIGO zachytil 14. září 2015 a o niž informoval na tiskovce 11. února.  Ve srovnání s mediálním ohlasem zachycení první gravitační vlny byl tentokrát ohlas z pochopitelných důvodů výrazně menší, přestože teprve toto pozorování představuje rozhodující krok k využití gravitačních vln jako dalšího „okna“ do vesmíru. V tomto textu se pokusím vysvětlit, proč tomu tak je a nastínit budoucnost výzkumu vesmíru pomocí gravitačních vln.

Nejdříve, co to vlastně gravitační vlna je. Na tomto obrázku jsou znázorněny vlny generované při oběhu dvou hmotných těles kolem společného těžiště. To, co vidíme, ovšem připomíná spíše vlny na hladině vody, tj. vlnění něčeho v prostoru. Podobně rozumíme zvukovým vlnám jako tlakovým vlnám v prostředí, jimž se zvuk šíří, nebo elektromagnetickým vlnám, při nichž se v prostoru vlní intenzity elektrického a magnetického pole. Gravitační vlny jsou ovšem vlny samotného prostoru, tj. mění se vzdálenosti mezi body prostoru. To je znázorněno na videu obsahujícím počítačovou simulaci závěrečné fáze splynutí dvou černých děr, jež byla promítána na tiskovce 11. února. Vlnění prostoru je znázorněno změnou relativních vzdáleností hvězd.

Na dalším obrázku je zobrazen vliv průchodu gravitační vlny přicházející ze směru kolmo na rovinu obrázku. Původní kružnice se při průchodu gravitační vlny mění na elipsu jednou ve vodorovném a podruhé ve svislém směru. Na obrázku jsou současně červenými čarami schematicky vyznačena ramena interferometru. Rozdíl mezi průměrem elipsy ve vodorovném a svislém směru a tedy i změna délky ramen interferometru se přitom v čase mění tak, jak je znázorněno na horní části obrázku. Tento časově závislý rozdíl délek ramen interferometru je v principu to, co LIGO měřilo. Říkám „v principu“,  v praxi bylo měření nesmírně složité, protože naměřené změny délek ramen interferometru jsou nepředstavitelně malé a činí zhruba tisícinu miliardtiny miliardtiny délky ramen, což je tisícina poloměru protonu. To, že LIGO dokázalo tak titěrnou změnu délek ramen svého interferometru změřit, je technický zázrak a musím říci, že mi, jako částicovému fyzikovi trvalo dlouho, než jsem aspoň v principu pochopil, jak je to možné. Proto nechám technickou stránku věci stranou a připomenu jen, že LIGO se skládá ze dvou dvouramenných interferometrů vzdálených od sebe cca 3000 kilometrů, jeden v Hanfordu ve státě Washington, druhý v Livingston ve státě Louisiana. Každé rameno má přitom délku 4 kilometry a prolétá jím svazek světla z laseru. Metoda detekce gravitačních vln je v principu stejná jako neúspěšná snaha najít závislost rychlosti světla na pohybu světelného zdroje v druhé polovině 19. století, jež vedla k formulaci teorie relativity.

Na tomto obrázku jsou výsledky měření vlivu první gravitační vlny GW150914. Na horní části je výsledek měření časové závislosti rozdílu délek ramen, vlevo v Hanfordu, vpravo v Livingstone, pod nimi je výsledek fitování těchto závislostí teoretickými křivkami, které byla spočteny pro konkrétní hodnoty hmotností dvou černých děr (29 a 36 hmotností Slunce), z něhož je patrné, že signál trval asi dvě desetiny vteřiny a frekvence vln s rostoucím časem stoupala, přesně jak předpovídá obecná teorie relativity. V třetí řadě je to, co se nazývá „pozadí“ nebo také „šum“, který je neodstranitelný a pod ním je vynesena závislost frekvence gravitačních vln na čase. Pokud bychom tuto závislost přeložily do zvuku, dostali bychom „hudbu prostoru“.  Interpretace signálu je shrnuta tomto obrázku. Důležitý rys první zachycené gravitační vlny spočívá v tom, že „je vidět“ přímo v naměřených datech. Ta jsou sice kostrbatá, ale vlnění je patrné i pro nezkušené oko, neboť signál je značně nad šumem.

Právě tímto rysem se ovšem liší signál druhé gravitační vlny GW151226, jenž je zde, přičemž obrázek odpovídá horní části analogického obrázku pro gravitační vlnu GW150914. V tomto případě naměřené časové oscilace (červené a modré čáry) nevykazují žádný očividný signál jako v případě GW150914 a signál gravitační vlny (černá spojitá vlnovka) je důsledkem až velmi složité analýzy časového průběhu naměřených dat s pomocí teoretických simulací splynutí dvou černých děr o hmotnostech 8 a 14 hmotností Slunce. Signál  GW151226 je podstatně slabší než u GW150914, ale je na druhé straně delší, trval cca jednu vteřinu. Analýza extrahovaného signálu  je zde a velmi názorné video znázorňující jak splývající dvojice černých děr generuje tento signál je zde.    

A nyní, proč je detekce druhé gravitační vlny tak hrozně důležitá. Gravitační vlna GW150914 pocházela závěrečné etapy srážky dvou poměrně masivních černých děr před cca 1,4 miliardami let. Astronomové vědí, že téměř jistě ve středu každé spirální galaxie „sedí“ černá díra, ale kolik a kde ve vesmíru se potulují, resp. potulovaly, dvojice černých děr v závěrečné fázi srážky nic spolehlivého nevíme. Takže se mohlo stát, že na další signál gravitační vlny budeme čekat třeba desítky či stovky let. Příklad takového „čekání na Godota“ máme v případě detektoru Kamiokande, jenž byl postaven pro hledání rozpadů protonu a jenž 23. února 1987 zachytil během 13 vteřin shluk 11 neutrin pocházejících z výbuchu supernovy SN1987A. Detektor Kamiokande byl umístěn v opuštěném dole na zinek Kamioka 1000 metrů pod zemí a obsahoval 3000 tun superčisté vody, v níž elektricky nabité částice za určitých okolností vydávají tzv. Čerenkovovo záření. Přesto, že v polovině 90. let byl tento detektor modernizován a 18náctkrát zvětšen, žádný další podobný signál ani po 30 letech nezaznamenal. Z jednoho případu nelze očekávaný počet signálů gravitačních vln, které je detektor LIGO schopen zachytit za dané období ani odhadnout, ale ze dvou, resp. tří to už jakž takž jde.

Na tiskové konferenci 15. června byly zveřejněny výsledky celé cca čtyřměsíční etapy běhu detektoru LIGO, během něhož byl kromě dvou již zmíněných gravitačních vln GW150914  a GW151226 byl měsíc po prvním signálu zachycen i třetí signál GW151012, jehož původ ovšem není tak průkazný jako u signálů GW150914  a GW151226 a je proto charakterizován jen jako „kandidát“ na gravitační vlnu. Nicméně i tento „kandidát“ hraje důležitou roli při odhadu počtu gravitačních vln, které detektor LIGO může zaregistrovat během další etapy jeho provozu, která začne na podzim a potrvá půl roku. Detektor nyní „odpočívá“ ale ne úplně, menší vylepšení zvýší jeho citlivost o cca čtvrtinu, což se nezdá mnoho, ale postačuje na to, aby se objem prostoru, z něhož je detektor schopen zachytit signály zvětšil dvakrát. Navíc, během podzimní etapy provozu LIGO začne pracovat jeho menší bratříček, dvouramenný interferometr VIRGO pár kilometrů od Pisy, jehož tým je součástí týmu detektoru LIGO a je také podepsán na výsledcích LIGO. VIRGO má ramena sice jen 3 km dlouhá, ale bude hrát klíčovou roli při interpretaci „kandidátů“ na gravitační vlny, podobných jako je GW151012. Pokud by tento signál viděl s časovým odstupem odpovídajícím jeho vzdálenosti od detektorů LIGO v Hanfordu a Livingston „vidělo“ i VIRGO, byla by to silná evidence, že i v tomto případě jde o gravitační vlnu.

S ohledem na uvedené skutečnosti lze očekávat, že na jaře příštího roku by kolaborace LIGO+VIRGO mohla zachytit kolem deseti signálů gravitačních vln. Jejich zdroji nemusí být jen srážky černých děr, ale i závěrečné etapy srážek jiných masivních objektů, především neutronových hvězd. Připomínám, že v roce 1993 byla udělena Nobelova cena za fyziku Russelovi Hulseovi a Josephu Taylorovi za objev dvojice neutronových hvězd, z nichž jedna je velmi malá a druhá, velká, je navíc pulsarem, tj, vyzařuje elektromagnetické záření. Počátkem 70 let Hulse s Taylorem zjistili, že velmi krátká doba oběhu této dvojice neutronových hvězd kolem společného středu (cca osm hodin) se navíc ročně zkracuje o cca jednu vteřinu, což svědčí o tom, že systém vyzařuje energii ve formě gravitačních vln. Ty k nám stále přicházejí, ale jsou neměřitelně slabé, nicméně právě takové dvojice, ovšem masivních neutronových hvězd by těsně před splynutím mohly vysílat gravitační vlny dostatečně silné, aby je mohl detektor LIGO+VIRGO zachytit.

Podle slov výkonného ředitele LIGO David Reitze je budoucnost systém detektorů LIGO+VIRGO a dalších detektorů gravitačních vln, které se připravují, v jejich zapojení do zkoumání astrofyzikálních objektů pomocí různých „poslů“: elektromagnetického záření, vyzařování elektricky nabitých části, neutrin a právě gravitačních vln, tzv. „multi-messenger astronomy“. Během následujícího desetiletí by se k systému LIGO+VIRGO měla přidat japonská observatoř KAGRA (ta už za dva roky), jež má stejný rozměr jako VIRGO, ale je umístěna hluboko pod zemi ve stejném dole Kamioka, jako výše zmínění detektor neutrin Kamiokande. A v roce 2023 by měla začít pracovat LIGO-India, třetí detektor kolaborace LIGO, umístěný tentokrát v Indii (IndIGO). Důvode pro výběr této lokality je snaha získat z časové korelace příchodu gravitačních vln do různých detektorů informaci o směru, z něhož přicházejí. V dalším desetiletí by se pak k výzkumu gravitačních vln měl připojit Einsteinův teleskop, projekt několika zemí EU, jenž bude tvořen třemi rameny spojenými do trojúhelníku a bude umístěn pod zemí. Během dvou následujících desetiletí mohou gravitační vlny přinést zásadní změnu našeho chápání vesmíru. Máme se na co těšit.

Jiří Chýla

Jiří Chýla

Jiří Chýla

Nejen o vědě, ale také o roli vzdělanosti v dnešní společnosti, o věcech veřejných, které se nás týkají a které by nás měly zajímat.

Zabývám se teorií elementárních částic orientovanou na úzkou spolupráci s experimenty. Od počátku 90. let přednáším na Matematicko-fyzikální fakultě UK a společně s kolegy z této fakulty a Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské vedu Centrum částicové fyziky, jehož pracovní týmy se podílejí na řadě důležitých experimentů v hlavních světových laboratořích fyziky částic. Do zvolení členem Akademické rady AV ČR v březnu tohoto roku jsem byl předsedou Rady Fyzikálního ústavu AV ČR. Jsem členem vědecké rady Nadačního fondu NEURON na podporu vědy.

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik

Tipy autora