Senzácia polstoročie: Gravitačné vlny realitou!

Ilustrácia gravitačných vĺn ako čerenie časopriestoru, podobne ako pri vodnej hladine…(aldebaran.cz)

Minulý týždeň prišla od vedeckých kruhov senzačná správa: Gravitačné vlny sú realitou.

O dôležitosti tejto správy sa rýchlo dozvieme z bombardovania snáď všetkých médii na svete. I takých, čo v inom prípade o vede nepíšu takmer vôbec. Čo za významnú udalosť sa stala? Aké to má dôsledky pre fyzikálnu obec a pre celý svet? Čo predchádzalo k objaveniu doteraz nepolápiteľných gravitačných vĺn? Tento článok bude slúžiť ako základná sonda o výnimočnom objave.

Ako vznikajú gravitačné vlny

Vieme si túto základnú myšlienku overiť pomocou analógie napnutej plachty, zaťažené prítomnosťou telies (napríklad biliardových gúľ). Napnutá plachta, ale nie je šťastným riešením k úplnej interpretácii, pretože je trojdimenzionálna a chýba 4 dimenzia, čas. Pomocou plachty si nemôžme predstaviť dynamické správanie hmotných telies. Avšak plachta postačí na pochopenie, ako hmotný objekt zasahuje do časopriestoru.

Takzvaný embedding diagram (diagram vnorenia) pre prvú predstavu zakriveného časopriestoru (osel.cz)

Takže, majme napnutú plachtu. Na plachtu položíme napríklad ťažkú kovovú guľu. Zaborí sa do plachty a vytvorí potenciálovou „jamu“. Ak by sme pustili nejakú maličkú guličku, videli by sme, ako smeruje k priehlbine až ku veľkej guli. Čo priťahovalo malú guličku k veľkej? Nejaká neviditeľná sila? Nie! Bolo to zakrívenie priestoru (plachty).

Teraz si ale predstavme, že rýchlo vytiahneme ťažkú guľu z plachty. Napnutá plachta začne kmitať hore, dole ako vlna až pomaly prestane. Podobne sa správa i časopriestor. Ak z nejakého dôvodu teleso náhle príjme alebo vyvrhne obrovské množstvo hmoty, vznikajú vlny v časopriestore. Tými vlnami sú gravitačné vlny!

Kde všade vznikajú gravitačné vlny?

Napríklad pri nesymetrických explóziach supernov, pri zrážke dvoch čiernych dier či pri inflácii vesmíru, kedy vzniká chaotické rozvlnenie časopriestoru. Jednoducho povedané, vznikajú pri vzájomnom pohybe telies v gravitačnom poli.

Napríklad zmena obežnej dráhy planéty nejakou externou príčinou môže vyvolať gravitačné vlny. Stratená energia vo forme gravitačných vĺn môže v konečnom dôsledku nasmerovať planétu na kolíznu dráhu s hviezdou alebo môže utiecť z hviezdnej planetárnej sústavy.

Každá zmena v časopriestorovom kontinuu vyvolává gravitačné vlny, avšak detekcia tak slabých prejavov gravitačných vĺn je takmer nemožná. Najväčšiu šancu na ich záchyt máme pri zrážke dvoch čiernych dier alebo neutrónových hviezd. Je to najkatastrofickejšia udalosť vo Vesmíre. Pri zrážke odnesú obrovské množstvo energie práve gravitačné vlny.

Mnohé vlastnosti gravitačných vĺn môžeme popísať podobne ako elektromagnetické vlny. Tak ako fotóny majú gravitačné vlny rýchlosť svetla. Dodržujú princíp kauzality hmotných objektov v priestore.

Gravitačné vlny majú dve nezávisle polarizácie sklonené pod uhlom 45 °. Narozdiel od elektromagnetických vĺn, ktoré majú 90° sklon.

Zachytenie gravitačných vĺn je oveľa komplikovanejšie ako študovať fotóny, pretože gravitačné vlnenie je všade rovnaké (hypotetická častica gravitón nemá náboj) a vzájomná poloha sa nelíši. U elektromagnetickom vlnení kladné a záporne nabité častice sa pohybujú opačným smerom a ich vzájomná poloha sa radikálne líši. Preto detekcia dlhých i krátkych vĺn nie je problémom. U gravitačných vĺn áno.

K detekcii veľkých gravitačných vĺn sú potrebné obrovské detektory gravitačných vĺn.

Prvé pokusy

O prvú detekciu gravitačných vĺn sa pokúsil americký fyzik Joseph Weber (1919-2000) v 60. rokov 20. storočia. Využil pri tom hliníkové rezonančné valce.

Na snímke vidíme jeden z Weberových valcov (aldebaran.cz)

Mali hmotnosť 1,5 tóna a rezonančná frekvencia bola 1,5 kHz. Weber predpokladal, že sa valec pri prechode gravitačnou vlnou rozochveje. Na detekciu gravitačných vĺn použil piezoelektrický snímač na boku valca a hľadal zakmitanie valcov. Vždy boli aktívne v experimente dva valce (jeden v Marylande, druhý v Aragonu, USA) vzdialené od seba 1000 km.

Nakoniec jeden signál bol zachytený, ale bol iného pôvodu.

V priebehu 60. rokov 20. storočia vyrobil viacero valcov. Zaujímavosť k osobe vedca Josepha Webera stojí fakt, že jeden menší experiment s gravitáciou na Mesiaci pri Apolle 17 bolo jeho dielom.

Nepriamy dôkaz gravitačných vĺn

Meranie skracovania periódy pulzaru PSR 1913+16. Každý rok sa zníži perióda o 1 sekundu…(aldebaran.cz)

Pri pozorovaní pulzaru PSR 1913+16 radioteleskopom v Arecibu našli astronómovia Russell Hulse (1950) a Joseph Taylor (1941) nepriamy dôkaz o gravitačných vlnách.

Pulzar PSR 1913+16 je binárna sústava zložená z dvoch neutrónových hviezd (s hmotnosťami 1,44 a 1,39 Sĺnk), obiehajúce okolo spoločného centra vo vzdialenosti 700 000 km. Pri jednom obehu oboch neutrónových hviezd sa ich vzájomná vzdialenosť skráti o 1 mm. Obežná doba činí 7 hodín a 45 minút. Za jeden rok sa obežná doba skráti o jednu sekundu. Práve ročné spomaľovanie obežnej doby súhlasilo s energiou vynášanou preč z hviezdneho systému. Jediným kandidátom na vysvetlenie pozorovania boli gravitačné vlny.

Za svoj objav dostali Hulse a Taylor Nobelovú cenu za fyziku v roku 1993.

Červené a mŕtve, skoro ako z hororu

Dnešné monštrum LHC a jeho nástupca?

Baby-boom hviezd v cD galaxii

Na scénu prichádzajú interferometrické detektory

Schéma interferometrických detektorov (aldebaran.cz)

Po nájdení nepriameho dôkazu gravitačných vĺn sa začala mierna horúčka lovcov gravitačných vĺn. Začali sa stavať interferometrické detektory.

Princípom interferometrických detektorov (a obdobné to funguje i na všetkých súčasných detektorov – samozrejme, materiály a ďalšie vlastnosti má každý detektor iné) je, že je vysielaný laser do polopriepustneho zrkadla. Zrkadlo rozdelí paprsok laseru do dvoch kolmých ramien, na ktorých koncoch sú testovacie hmotnosti, zvyčajne zavesené zrkadla. Paprsky nakoniec končia v detektore, kde má dôjsť k interferencii oboch paprskov. Zo zmien v interferečnom obrazci vieme zistiť, či gravitačná vlna prešla detektorom.

V dnešných systémoch je dĺžka ramena umelo predlžovaná Fabryho-Perotovou rezonančnou dutinou. Rezonančná dutina začína a končí polopriepustným zrkadlom. Ak paprsok sa odrazí od koncového bodu rezonančnej dutiny, vzniká tak mnohonásobný odraz a väčšia citlivosť detektoru.

Ako prvý bol interferometrický detektor MARK II v Pasadene, USA, s dĺžkou ramien 40 metrov. Avšak, jeho citlivosť ani zďaleka nepostačovala na detekciu gravitačných vĺn.

LIGO a Virgo

Jeden z prístrojov LIGO v Hanforde (osel.cz)

Spomenieme si dve najväčšie interferometrické prístroje v súčasnosti, americký LIGO a európsky Virgo.

LIGO tvoria dve ramená navzájom kolmá dlhá 4 km. Detektory sú od seba vzdialené 3000 km. Jeden sa nachádza v Hanfordu (Washington) a druhý v Livingstonu (Louisiana). Tretí prístroj s 2 km ramenami slúži len na testovanie.

Experiment bol budovaný od roku 1993.

Virgo je tvorený jedným detektorom s dĺžkou ramien 3 km a nachádza sa neďaleko známeho mesta Pisa (spomeňte si na legendárnu historku o Galileovi a šikmej veže v Pise).

LIGO je dvojica detektorov gravitačných vĺn. Tieto detektory sú v skutočnosti dve dvojice vákuovaných 4km ramien, umiestnených kolmo k sebe. Jeden z detektorov sa nachádza v Hanfordu vo Washingtone, druhý v Livingstone v Lousiane. Vo februári 2016 bol potvrdený objav gravitačných vĺn, detekovaných týmito detektory.

aLIGO a AdV

Po rekonštrukcii LIGO a Virgo vidíme zvýšenú citlivosť. (aldebaran.cz)

Advanced LIGO (aLIGO) a Advanced Virgo (AdV) sú prístroje LIGO a Virgo po rekonštrukcii pri dosiahnutí zvýšenej citlivosti.

Rekonštrukcia LIGO trvala 5 rokov. Začala sa v roku 2010. Bola kompletne vymenená optika, bolo pridané jedno polopriepustné zrkadlo, upgrade lasera zvýšilo výkon z 10 na 200 W. K razatnej zmene došlo i pri konštrukcii testovacích hmotností (polopriepustné zrkadlá). Priemer zrkadiel sa zvýšil z 25 cm na 34 cm a hmotnosť z 11 kg na 40 kg. Na základe týchto zmien sa podstatne zmenšil šum aparatúry.

Nahradené boli aj kontrolné a čítacie zariadenia. Zmena nastala aj pri tienení, ktoré tlmí slabé zemetrasenie. Prah citlivosti na pohyby v zemskej kôre sa z 40 Hz znížil na 10Hz. Znamená to menšia možnosť zámeny zemského otrasu s gravitačnými vlnami.

Celkový frekvenčný rozsah prístrojov LIGO sa z 40÷2000 Hz zvýšil na 10÷10.000 Hz. aLIGO bol pripravený k plnému nasadeniu v septembri 2015. Rekonštrukcia zvýšila citlivosť systému dvojnásobne.

Z optického hľadiska je aLIGO Michelsonov interferometer s Fabryho-Perotovovou rezonančnou dutinou v každom rameni.

Rekonštrukcia detektoru Virgo bola obdobná. Laser v roku 2018 získa výkon z 60 W na 200 W. Hmotnosť zrkadiel stúpla z 21 kg na 42 kg.

Renovovaný vákuovy systém v detektore Virgo (aldebaran.cz)

Vakuovy systém v ramenách v koncových bodoch bol doplnený o kryolapače. Týmto upgradom sa znížil tlak stonásobne.

Rekonštrukcia AdV bola dokončená v roku 2015 a v roku 2016 sa zapojí do hľadania gravitačných vĺn.

Chytanie gravitačných vĺn pomocou LIGO

Hľadanie gravitačných vĺn je veľmi zložité. Aj pri najväčšej produkcii gravitačných vĺn pri zrážke dvoch čiernych dier je posun pri 4 km dlhom ramene len 10^-17, čo je zhruba 0,1 % atomoveho jadra.

I tak extrémne malú zmenu vie interferometer objaviť. Paprsok lasera sa mnohokrát otočí v ramenách (nezabudnúť, paprsok lasera sú fotóny) a musí prejsť minimálne 150 miliónov km, aby boli zaznamenané fázové posuny o veľkosti pár nanometrov (priemer atómu).

Potom môžeme pozorovať pomocou určitej vlnovej dĺžky svetla zmeny na tak malých škálach.

Náročné je aj odfiltrovanie všetkých možných vibrácii z pozemských javov. Problém robí aj tepelný pohyb atómov v zrkadlách.

Dva rovnaké prístroje vzdialené 3000 km nám umožňujú z rozdielu času príletu určiť približný smer príletu gravitačných vĺn a prispieť tak k identifikácii zdroja.

Snáď sa nám ešte ozveš, Philae!

Päťdesiatročné výročie teorémov Rogera Penrose

Curiosity nahlíží na úpatí Mount Sharp

Objav gravitačných vĺn

Obidva detektory zachytili gravitačnú vlnu (sciences.space)

Po rekonštrukcii aLIGO začal pozorovať v septembri 2015. Dňa 14. septembra obidva prístroje aLIGO zachytili prvýkrát gravitačné vlny.

Gravitačné vlny pochádzali z binárnej zrážky dvoch čiernych dier. V okamihu posledného zlomku sekundy splynutia čiernych dier boli vyžiarené gravitačné vlny.

Hmotnosť čiernych dier bola 29 a 36 hmotnosti Slnka. Od nás sú vzdialené približné 1,3 miliardy svetelných rokov.

Zo zrážky sa rozvlnil časopriestor a hmotnosť 3 Sĺnk bola vyžiarená ako gravitačné vlny. V maximu bol výkon vo vyžarovaných gravitačných vlnách rovný 50krát väčšej energie, ako vyprodukuje celý viditeľný Vesmír za nejaký okamih (napríklad jedna sekunda).

Oba prístroje LIGO detekovali prílet gravitačných vĺn s rozdílom 7,1 milisekúnd. Na základe rozdielu detekcie vedci určili približný smer na oblohe, odkiaľ prileteli gravitačné vlny. Zdroj bol niekde v južnej časti oblohy.

Vedci si spočiatku neboli úplne istý, preto čakali až do februára 2016. Do tej doby veľmi presne skúmali detekcie. Po vylúčení všetkých pozemných zdrojov a zistení ďalších vlastnosti gravitačných vĺn sú si už istý. Môžme sa tešiť na ďalšie detekcie, ktoré by mali veľmi pravdepodobne nastať.

Ak obiehajú dve čierne diery okolo seba, silne zakrivujú okolo seba časopriestor. Ak splynú, vytvorí jednu veľkú čiernu dieru. Akt spojenie vedie k produkcii gravitačných vĺn, ktoré boli detekované observatórií LIGO. V animácii je ukázané, ako k takémuto javu dochádza

Dôsledky objavu gravitačných vĺn

Keďže VTR predpovedala existenciu gravitačných vĺn, potvrdila sa tak jej platnosť.

Boli aj iné dôkazy potvrdzujúce VTR, ako napríklad stáčanie perihélia Merkúru či pozorovanie hviezd blízko atmosféry Slnka počas zatmenia.

Teraz majú fyzici jasné vodítko, že VTR nie je len teoretickým výplodom vedcov, ale že opisuje reálny svet.

Dôkazy o existencii čiernych dier ale boli doteraz hmlisté.

Fyzici pracovali len s nepriamymi dôkazmi. Čierna diera sa prejavuje akréčnym diskom, z ktorého hmota padá k čiernej diere. Materiál v akréčnom disku je urýchľovaný a vysiela množstvo tvrdého žiarenia (gamma, RTG či ultrafialové žiarenie). Taktiež je možné pozorovať jety na póloch čiernej diery, vznikajúce ako následok toho, že nie všetko čierna diera „spapá“. To stačilo astronómom pomerne jednoducho identifikovať prejavy čiernych dier, avšak samotné čierne diery neboli nikdy objavené.

Je pravdou, že pomocou gravitačných vĺn neuvidíme čierne diery, avšak pomocou nich ich môžeme ľahšie študovať ako doteraz.

Bude zaujímave sledovať boom sekcie astronómie zameranej na gravitačné vlny.

Čo prinesie ďalší výskum?

Jedným zo zaujímavých výskumov sa črtá hľadanie primordiálnych gravitačných vĺn a zistiť tak niečo viac o inflačnej dobe alebo rýchlosti rozpínania Vesmíru počas jeho histórie.

Gravitačné vlny môžu byť ďalšou štandardnou sviečkou vo Vesmíre. Pomocou štandardných sviečok určujeme vzdialenosti vesmírnych objektov od nás. Ak viacero detektorov spozorujú gravitačnú vlnu, môžeme tak s vyššou presnosťou určiť vzdialenosť zdroja od nás.

I o neutrónových hviezdach môžu gravitačné vlny niečo povedať. Ich priemer je 10 km a predpokladá sa, že ich povrch je hladký. Je ale dokonalé hladký? Vyčnievajú nad povrchom milimetrové kopčeky?

Výskum gravitačných vĺn nám sľubuje vzrušujúce objavy.

Zdroje:
Ligo a Virgo v novém kabátě (aldebaran.cz)
Mají gravitační vlny naději? (aldebaran.cz)
Mimořadná zpráva: Projekt LIGO ulovil gravitační vlny! (osel.cz)
Byly už konečně přímo pozorovány gravitační vlny? (osel.cz)
Vítejte ve věku gravitační astronomie (osel.cz)
Detekce gravitačních vln – první dojmy (osel.cz)
Čtvrtek navždy změnil náš pohled na vesmír. Vědci zachytili gravitační vlny (technet.idnes.cz)
Gravitational waves and how they disrort space (universetoday.com)
Einstein`s gravitational waves found at last (nature.com)
Gravitační vlna (wikipedia.org)
Gravitační vlny a jejich detektory (Astropis)