Vítejte ve věku gravitační astronomie  
Právě jsme se stali svědky první přímé detekce gravitačních vln experimentem aLIGO, zároveň také první přímé detekce černých děr, silného potvrzení Einsteinovy obecné relativity, a rovněž zrození celé gravitační astronomie. Jaké objevy teď můžeme čekat?

Tým LIGO si brousí drápy na Nobelovku. Kredit: LIGO Lab.
Tým LIGO si brousí drápy na Nobelovku. Kredit: LIGO Lab.

Na úvod jenom telegraficky. Einstein v rovnicích obecné relativity předpověděl existenci gravitačních vln. Před sto lety. Jde o vlnění časoprostoru, vznikající při vzájemném pohybu těles v gravitačním poli. Vědci se je snažili polapit, až doteď neúspěšně. Reálně mohou zachytit jenom doopravdy šílené srážky neutronových hvězd nebo černých děr. Na polapení gravitačních vln pracuje několik experimentů.

 

 

Marco Drago, první člověk, co se dozvěděl o gravitační vlně. Kredit: Marco Drago.
Marco Drago, první člověk, co se dozvěděl o gravitační vlně. Kredit: Marco Drago.

 

Vítězem se stal experiment LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), hned poté, co byl v září 2015 spuštěn ve vylepšené verzi Advanced LIGO (aLIGO). Upgrade trval 5 let a stál 205 milionů dolarů. Dne 14. září 2015 si italský postdok Marco Drago v Max Planck Institutu pro fyziku gravitace v německém Hannoveru všiml, že oba dva detektory LIGO polapily něco dost zajímavého. Velký objev si ale žádá pevné důkazy, takže tým LIGO musel objev gravitačních vln ze všech stran prověřit.

 

Gravitační vlna, kterou ulovil LIGO, je naprosto fascinující záležitost už sama o sobě. Ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let se podle všeho srazily dvě černé díry o hmotnosti 29, respektive 36 Sluncí. Jejich splynutím vznikla černá díra o hmotnosti 62 Sluncí. Zbývající hmotu 3 Sluncí spolklo právě vytvoření gravitačních vln, které se rozletěly vesmírem do všech stran. Podle jednoho ze zakladatelů experimentu LIGO, věhlasného Kipa Thorna z Caltechu, vznikly ve víru této ohromující srážky gravitační vlny, jejichž energie padesátkrát převýšila výkon všech hvězd ve známém vesmíru. Když Zemí prošla gravitační vlna, kterou zachytily detektory LIGO, tak se naše planeta roztáhla a zase smrštila o jedno stotisícinu nanometru, čili asi o průměr atomového jádra. Věda o gravitačních vlnách, to je tornádo extrémů.

 

Gravitační vlny z ne úplně hladké neutronové hvězdy. Kredit: NASA's Goddard Space Flight Center / S. Wiessinger
Gravitační vlny z ne úplně hladké neutronové hvězdy. Kredit: NASA's Goddard Space Flight Center / S. Wiessinger

 

Když experiment LIGO v devadesátých letech bojoval o existenci, tak prý jeho hlavními odpůrci při slyšeních v americkém Kongresu byli astronomové. Podle Clifforda Willa, teoretického relativistického fyzika z Floridské univerzity v Gainesville, který podporoval LIGO od samotného počátku, tehdy převládal názor, že LIGO nemá moc co dělat s astronomií. Všechno ale nasvědčuje tomu, že se časy zásadně změnily. Vstoupili jsme do éry gravitační astronomie. Jaké otázky by nám mohla zodpovědět?

 

Existují doopravdy černé díry?

Pro někoho to může znít úsměvně, ale až doposud se veškerá pozorování černých děr týkala extrémně rozžhaveného materiálu v akrečních discích kolem černých děr. Nikoliv černých děr samotných. Díky historickému objevu experimentu LIGO teď poprvé s takřka úplnou jistou víme, že černé díry skutečně existují. Takové, jaké předpovídá obecná relativita. A není to špatný pocit.

 

Pozůstatek supernovy Cassiopeia A. Kredit: NASA / JPL-Caltech.
Pozůstatek supernovy Cassiopeia A. Kredit: NASA / JPL-Caltech.

 

Pohybují se gravitační vlny rychlostí světla?

Vědci předpokládají, že gravitační sílu zprostředkovávají částice zvané gravitony. Pokud by gravitony neměly žádnou hmotnost, tak by se gravitační vlny měly šířit rychlostí světla, přesně podle klasické obecné relativity. Jestli ale gravitony mají nějakou hmotnost, byť sebenepatrnou, tak by měly letět vesmírem o něco pomaleji než světlo. To bude možné zjistit, když některou z budoucích gravitačních vln zachytí LIGO a zároveň některý další experiment, například Virgo v italské Pise. Jestli mají gravitony hmotnost, tak čekejte průvan ve fyzice.

 

Tvoří časoprostor kosmické struny?

Když jsme zachytili gravitační vlny ze srážky černých děr, tak se může i stát, že zachytíme gravitační vlny, pocházející z kosmických strun. Jestli existují, tak jsou kosmické struny naprosto neuvěřitelné nudle o průměru protonu, velice husté a buď uzavřené nebo nekonečné. Uzavřené kosmické struny by měly mít sklon vyzařovat se v podobě gravitačních vln.

 

Jsou neutronové hvězdy hrbolaté?

Neutronové hvězdy jsou nesmírně husté vnitřnosti zhroucených hvězd. Jejich extrémní fyziku chápeme jen z části. Právě gravitační vlny by nám s tím ale mohly pomoct. Neutronové hvězdy, jejichž průměr činí kolem 10 kilometrů, by mohly být téměř perfektně kulovité. Anebo jsou na nich nerovnosti, třeba jenom o velikosti pár milimetrů. Neutronové hvězdy úžasně rychle rotují a takové nerovnosti by se měly projevit na vlastnostech gravitačních vln, které při jejich rotaci vznikají.

 

Bravo, Advanced LIGO! Kredit: Caltech / MIT / LIGO Lab.
Bravo, Advanced LIGO! Kredit: Caltech / MIT / LIGO Lab.

Co odpálí explozi ohromných hvězd?

Gigantické hvězdy končí svůj krátký život explozí supernovy, při které vznikne neutronová hvězda nebo černá díra. Supernovy se snažíme simulovat na počítačích, stále ale ještě nerozumíme tomu, jak se odpalují. Kdybychom zachytili gravitační vlny ze skutečných explozí supernov, tak nám mohou poskytnout potřebné odpovědi.

 

Jak rychle se rozpíná vesmír?

Určení rychlosti rozpínání vesmíru je velmi významné pro celou kosmologii. Zatím to děláme pomocí „standardních svíček“, čili explozí supernov typu Ia. Tento postup ale není tak úplně spolehlivý. Když několik detektorů zachytí stejnou gravitační vlnu, tak bude možné odhadnout, z jaké k nám letí vzdálenosti. Také půjde určit, ze které galaxie k nám dotyčná gravitační vlna přiletěla. Z těchto pozorování bychom měli odvodit nezávislý odhad rychlosti rozpínání vesmíru, snad dokonce přesnější, než jsou soudobé odhady.

 

Video: LIGO detects gravitational waves. (dívejte se od 16:00)

 

 

 

Literatura

Nature News 9. 2. 2016, NewScientist 11. 2. 2016, Wikipedia (LIGO, Gravitational wave).

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 12.02.2016
Tisk článku

Liga spravedlnosti -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 449 Kč
cena: 359 Kč
Liga spravedlnosti

Související články:

Mimořádná zpráva: Projekt LIGO ulovil gravitační vlny!     Autor: Stanislav Mihulka (11.02.2016)
Byly už konečně přímo pozorovány gravitační vlny?     Autor: Vladimír Wagner (11.02.2016)
Detekce gravitačních vln – první dojmy     Autor: Pavel Bakala (12.02.2016)



Diskuze:

Asi jsem mimo

Petr Jack,2016-02-16 00:35:21

ale nějak nechápu ten princip detekce. Nevím, co detekovali, ale pokud by šlo skutečně o gravitační vlnu, pak by podle mně tímto systémem nic nezměřili. Rychlost světla je dána konstantou a tato je nezávislá na hustotě (stlačení) časoprostoru. Tedy pokud se dejme tomu délka zkrátí, zpomalí se i tok času, takže ve výsledku bude čas stejný jako kdyby se délka prodloužila. Pokud by tomu tak nebylo a jeden z paprsků dorazil do cíle dřív, pak by se musel v naší vztažné soustavě pohybovat rychlostí vyšší než ten druhý a to jak víme nejde. Vysvětlí mi tento paradox někdo ze zasvěcených?

Odpovědět


Re: Asi jsem mimo

Matěj Morávek,2016-02-16 15:13:52

Trik je právě v tom, že rychlost světla je konstantní, nezávisle na zakřivení prostoročasu. Pro foton pohybující se přesně rychlostí světla žádná dilatace neexistuje, pro něj je totiž čas dilatován do nekonečna - veškerý čas vnějšího světa je pro foton jeden okamžik. Tedy jediné co pocítí je změna vzdálenosti.

Ono gravitační vlny už z principu nelze pochopit ani popsat v pojmech speciální teorie relativity.

A měření je založeno právě na tom, že jeden paprsek/vlna "dorazí" do cíle dříve, přesněji jedná se o spojitou vlnu, které se posune fáze a při skládání s vlnou z druhého ramene LIGO na sebe nesednou - nedojde k totální konstruktivní interferenci.

Odpovědět

ako straca energiu?

Tomi Lee Trnik,2016-02-12 19:52:02

autor piše: Vyzařování gravitačních vln způsobuje ztrátu energie a změnu oběžné doby.

akú stratu energie?
ako pride o energiu?
akú energiu?

ako to môže sposobyť tá gravitačná vlna?

dikes za vysvetlenie

Odpovědět


Re: ako straca energiu?

Martin Zikmund,2016-02-14 02:33:35

V principu:

Pokud kolem sebe vzájemně rotují například dvě černé díry, při zachování své potenciální energie by si měly zachovat i stabilní oběžné dráhy, tedy neměly by se ani vzdalovat, ani přibližovat. To ale neplatí, ve skutečnosti se přibližují.

To je dáno ztrátou energie, která se změní v gravitační vlny. Proto při srážce dvou černých děr nevznikne jedna, která by měla součet jejich hmotností, ale vždy má hmotnost o něco nižší. To je právě tím, že zbytek masy se "vyzářil" v podobě gravitačních vln.

Odpovědět

Neutronové hvězdy

Marcel Brokát,2016-02-12 18:31:28

Pokud by stačilo k vytvoření gravitačních vln pár milimetrů nerovností u neutronové hvězdy (tedy nerovnoměrné nepatrné rozložení hmoty v neutronové hvězdě)... tam teda musí panovat neuvěřitelné podmínky... Je to prostě fascinující

Odpovědět

Finance

Oslik Oslovič,2016-02-12 15:35:11

Zdravím, mohl by mi prosím někdo z více zainteresovaných odhadnout zda a jak toto změní financovaní gravitační astronomie? Tj. dá se očekávat návrat projektu LISA z horizontu 2030 na bližší termíny, popř. očekáváte stavbu dalších, přesnějších pozemských detektorů? Děkuji.

Odpovědět


Re: Finance

Vladimír Wagner,2016-02-12 18:40:11

Zatím to lze jen těžko odhadnout, ale pokud se podaří zachytit další případy a potvrdí se potenciál pozorování astrofyzikálních objektů a získání informací o nich, tak by se projekt LISA mohl posunout hodně nahoru ve směru k realizaci.

Odpovědět


Re: Finance

Martin Zikmund,2016-02-14 02:36:01

Myslím si, a hlavně doufám, že gravitační astronomie zažije podobný boom jako svého času radioteleskopy.

Odpovědět

atraktory

Ludvík Urban,2016-02-12 10:10:05

Nedávno se tu? psalo o atraktorech.
Jestli to dobře chápu, atraktory by měly být drasticky masivnější než černé díry.
Když uvážím, že ten "náš" atraktor má být mnohem blíž než černá díra, od které LIGO zachytil gravitační vlnu, tak si z toho mám vyvodit, že atraktory nejsou tak divoké jako černé díry?

To mi připadá divné, když logika naznačuje, že atraktor by neměl být nic jiného než zase černa díra o hmotnosti sto tisíc galaxií jako je naše MW.

Jak to je?

Odpovědět


Re: atraktory

Vít Výmola,2016-02-12 12:56:46

Asi narážíte na Velký atraktor. Pokud je atraktor skutečně gravitační záležitostí, pak je jeho hmotnost určitě obrovská. Ale rozměry nutně nemusí být malé, tedy takové, které by odpovídaly nějaké černé díře a jejím extrémním projevům. Atraktor stejně tak může být (a pravděpodobně taky je) velkorozměrová struktura, například masívní kupa galaxií, shluk temné hmoty a podobně.
Ale i kdyby snad atraktor měl být nějakou nestvůrně velkou černou dírou, pak bysme ji pomocí gravitačních vln neviděli. Gravitační vlny vznikají v dynamických systémech (dobře to popisují jiné články na Oslu), zatímco docela klidná osamocená černá díra je vytvářet nebude.

Odpovědět

Dakujem

Rasto Gallo,2016-02-12 09:59:14

Vyborny clanok, dik.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni