Lov na gravitační vlny: znovu a lépe!  
Tento týden bylo opět uvedeno do provozu největší pozemní pracoviště pro detekci gravitačních vln - LIGO.

 

Livingstonská observatoř LIGO v Louisianě. Kredit: LIGO Scientific Collaboration/NSF
Livingstonská observatoř LIGO v Louisianě. Kredit: LIGO Scientific Collaboration/NSF

Observatoř Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory procházela posledních pět let důkladnou generálkou, která vyšla americké daňové poplatníky na 200 milionů dolarů (celkové náklady na projekt se tak vyšplhaly na 620 milionů). Podle tamních odborníků je však velmi pravděpodobné, že detektory zachytí drobné chvění samotného prostoročasu v průběhu letošního či příštího roku. Po dekádě marného snažení to je prohlášení nadmíru zajímavé.

 

 

 

Jedno ze zrcadel o hmotnosti 40 kg pro odraz laserového svazku na koncích tunelů. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab
Jedno ze zrcadel o hmotnosti 40 kg pro odraz laserového svazku na koncích tunelů. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab

 

Ač je gravitace na velkých škálách zásadní silou formující náš vesmír, zachytit její drobné oscilace je v našich měřítkách úkol zapeklitý. Gravitační vlny vznikají při vzájemném pohybu těles v gravitačním poli. Čím hmotnější tělesa jsou, tím větší máme šanci jejich projevy změřit. Na druhé straně preciznost měření vyžaduje mít pravítko se stupnicí jemnější než rozměr protonu.


Myšlenka měření změn gravitačního pole není nová. Vědci se snaží tyto oscilace zachytit už více než půl století. První skromné pokusy můžeme datovat do začátku šedesátých let, kdy se Joseph Weber z univerzity v Marylandu neúspěšně pokoušel měřit rozdíly ve vibracích hliníkového válce.


Koncem této dekády se prosadila laserová interferometrie jako nejvhodnější (nejpřesnější) řešení. Navíc se ukázalo, že fyzické rozměry laboratoří a detekčních přístrojů musí narůstat až tak, jak to jen finanční rozpočty dovolí. Naše planeta je jedním velkým hadím klubkem rušivých signálů. Některé z nich jsou přírodní povahy (desková tektonika, sopečná činnost, atmosférické jevy), jiné umělé (doprava, průmysl), a musíme brát v potaz i vlastní gravitační pole Země. Proto bohužel snahy vědeckých týmů zachytit jemné oscilace v gravitačním poli mnohdy připomínaly snahu zarovnat materiál na molekulární úrovni křovinořezem.

 

Technici u části detektoru v Louisianě.  Kredit: Michael Fyffe/LIGO
Technici u části detektoru v Louisianě. Kredit: Michael Fyffe/LIGO


Za poslední tři dekády vzniklo několik pracovišť v USA, Evropě či Japonsku. Za všechny jmenujme například projekty Virgo, KAGRA nebo GEO 600. Tím nejznámějším je však čerstvě repasované zařízení na americkém kontinentu.

Program LIGO byl v nultých letech tohoto století nejambicióznějším a nejdražším vědeckým projektem organizace NSF (National Science Foundation), která dnes kupříkladu řídí a financuje vývoj budoucí pozemní astronomické observatoře LSST. V roce 2002 dosáhly náklady na zhotovení observatoře částku 365 milionů dolarů. Primární program měření (2002-2010) nepřinesl očekávané výsledky, proto padlo rozhodnutí původní projekt dále rozšířit a zdokonalit pod názvem Advanced LIGO.

Zařízení TMS (transmission monitor suspension), které odesílá paprsek k zrcadlům a poté jej opět přijímá. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab
Zařízení TMS (transmission monitor suspension), které odesílá paprsek k zrcadlům a poté jej opět přijímá. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab

To je v současné době třikrát citlivější než původní projekt, ale ani s tím se nehodlají odborníci spokojit. Za tři měsíce je plánován další půlroční repas, po kterém bude desetkrát citlivější. Observatoř by měla být schopna detekovat vysoce energetické kolize objektů (páru černých děr či neutronových hvězd) na vzdálenost až 120 megaparseků (326 milionů světelných let).

LIGO tvoří dvě identické observatoře. Jedna z nich se nachází v Livingstonu (stát Louisiana), druhá nedaleko Hanfordu ve státě Washingtonu. Dělí je 3 000 kilometrů, což nám při rychlosti světla (kterou by se měly gravitační vlny šířit) dává časový rozdíl při detekci něco kolem deseti milisekund. Pokud by obě zařízení vlny naměřila s tímto časovým rozdílem, byla by to známka, že sledujeme správnou stopu.
Pracovištím dominují dvojice kolmo umístěných čtyřkilometrových tunelů, jež připomínají z ptačí perspektivy obří písmeno L zasazené do rovinaté americké krajiny a pracují na principu laserové interferometrie.
Paprsek je rozdělen do dvou svazků a odkloněn v osách x a y do dvou směrů pod pravým úhlem. Na konci každého tunelu je zrcadly odrážen zpět. Když se oba odražené svazky dostanou před čtecí zařízení, fázově se vyruší. Pokud by však gravitační vlny zatřásly časoprostorem, došlo by k nepatrnému prodloužení či zkrácení délky jednoho z ramen. Na čtecím zařízením by se objevily stopy světelného signálu.

Vizualizace třírozměrného šíření vln, které generuje pár gravitačně vázaných černých děr.  Kredit: Henze, NASA
Vizualizace třírozměrného šíření vln, které generuje pár gravitačně vázaných černých děr. Kredit: Henze, NASA

 

Čidla zaznamenají opravdu nepatrný délkový rozdíl. Jedná se o jednu částici na každých 1022. Pro představu – je to jako rozlišit změnu vzdálenosti adekvátní šířce lidského vlasu mezi Sluncem a nejbližší hvězdou Alfou Centauri (4,37 světelných let).


V příštím roce plánují vědci rozšířit spolupráci za oceán a spřáhnout data observatoře LIGO s italským projektem Virgo. Ten dosahuje s délkou ramen tři kilometry pouze 75 % přesnosti své větší americké sestry a v současné době rovněž prochází rozsáhlými úpravami.

 

Princip detekce gravitačních vln.  Kredit: Nik Spencer/Nature
Princip detekce gravitačních vln. Kredit: Nik Spencer/Nature

 


Do budoucna jsou plány ještě smělejší. Japonští odborníci budují hluboko pod zemí další interferometr KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector). Do provozu jej plánují uvést v roce 2018. Evropa si vytyčila projekt Einstein Telescope – obří detektor ve tvaru trojúhelníku o délce strany 10 kilometrů. Bohužel s předpokládanými náklady jedné miliardy eur není jeho budoucnost jistá.


Evropská kosmická agentura připravuje rozsáhlý projekt měření gravitačních vln ve vesmíru s názvem LISA plánovaný kolem roku 2034. Už za několik týdnů udělá v tomto ohledu první důležitý krok a my vás o něm budeme samozřejmě informovat.
Co se observatoří LIGO týče, mohli bychom se letos či v příštím roce dočkat zajímavých výsledků. Bylo by více než symbolické, kdyby se nám přesně sto let poté, co Albert Einstein publikoval svůj první článek o gravitačních vlnách, podařilo dostat na kobylku tajemným oscilacím samotného přediva prostoročasu.

 

 

Zdroje

http://www.nature.com/news/hunt-for-gravitational-waves-to-resume-after-massive-upgrade-1.18359

http://www.nature.com/news/physics-wave-of-the-future-1.15561

https://ligo.caltech.edu/page/about

 





V novém dokumentu z dílny BBC Horizons nám tvůrci umožní ocitnout se na chvilku přímo ve velínu detektoru LIGO. Po dobu minutové sekvence jsme svědky dvou poplachů, které jsou generovány detekčním systémem jako nepatřičné anomálie. U každého z nich obsluha na pár vteřin vytřeští zrak i přes přítomnost kamer. V prvním případě jde o průjezd vlakové soupravy asi 8 kilometrů od detektoru. Když se obsluha snaží vysvětlit původ prvního signálu, je přerušena dalším alarmem. Dosti schizofrenní podmínky, pokud máte slyšet trávu růst, ale po ní zrovna běží stádo vyděšených slonů. Tamní směny se střídají po dvojicích nepřetržitě 24 hodin sedm dní v týdnu.
Průjezd vlakové soupravy v několikakilometrové vzdálenosti znamenal přerušení měření po dobu jedné hodiny, proto se velká část technických vylepšení týkala účinnější izolace detektorů od okolí.

Datum: 18.09.2015
Tisk článku


Diskuze:

Martin Zeithaml,2015-09-22 15:06:35

Myslím, že je to nesmyslný a velmi nákladný projekt. O gravitaci nevíme prakticky nic, jen to že je. I gravitační "konstantu" máme změřenou jen přibližně. Pokud se nemůžeme podívat na gravitaci nezávisle, nemůžeme přesně naměřit nic.
PS: Ještě by mně zajímalo jak chtějí to zařízení "odstínit" proti gravitačnímu působení projíždějícího vlaku. Že bych si doma vytvořil takovou cimru bez gravitace a chodil bych si tam zalítat.

Odpovědět

Dolary natiskli, deriváty zabalili, mozky zakoupili, LIGO postavili, ale nic kloudně nevysvětlili.

Josef Hrncirik,2015-09-21 19:52:42

Klasická fyzika a dogmata Hannah Arendtové se navzájem dokonale vylučují.

Klasicky foton při pohybu v gravitačním poli mění svou energii, tj. frekvenci a hmotnost.
Při pohybu k zrcadlu a od zrcadla změna energie = hmota*dráha*grav. zrychlení.
Obvykle (nahodile) se oba příspěvky různých znamének (tam a zpět) prakticky dokonale vyruší.
Největší celková změna nastane, pokud oscilující složka zrychlení je nulová právě při dopadu na zrcadlo, tj. změně směru.
Jen tak se oba příspěvky neruší ani částečně.
Průměrná či počáteční derivace čtvrtvlny sinusovky proměnlivé složky zrychlení ‚a‘ je řekněme prakticky cca. ,a°,/(T/4). T je perioda 2hvězdy.
Max. čerpatelná změna energie je pak: = (h*f/(c*c))*2L*4a°/T; c je rychlost světla
Z toho plyne změna frekvence (f před – f po); max E = h*(f před – f po);
h je Planckova konstanta.
Počet vln z interference = očekávaný – skutečný; = cca.; = 2L* (f před – f po)/c
a° = 2*grav. konst*M*l/(R*R*R); oscilující složka "grav. dipólu" dvojhvězdy
Rezonance pro několikanásobné odrazy před vstupem do detektoru interferometru = pouze při T = L/c, tj. asi nikdy.
Důležité je mít šťastný kosinus úhlů vůči Zemi či 3. ortogonální interferenční bázi a šťastné načasování dopadu na zrcadlo kdy pak využiji k čerpání energie obě znaménka ,a,.
Vypočítat konkrétní hodnoty a přesvědčit mě měl LIGO či Caltech.
Intuitivně sázím juan či 2 rubly proti pytlu dolarů, že vyjde 0, která zmizí v šumu.
Howgh.

Odpovědět


Klasická i kvantová fyzika a dogmata Ayn Randové se navzájem dokonale vylučují

Josef Hrncirik,2015-09-21 20:03:36

Odpovědět


Re: Dolary natiskli, deriváty zabalili, mozky zakoupili, LIGO postavili, ale nic kloudně nevysvětlili.

Jozef Vyskočil,2015-09-22 08:38:43

Zaujímavé je, že dvaja velikáni fyziky, tuším Steven Hawking a Kip Thorne sa stavili, či budú gravitačné vlny objavené do roku 2000. Optimisti.

Odpovědět


ale nic kloudně nevysvětlili.

Josef Hrncirik,2015-09-22 09:48:20

grav. vlny nepochybně existují minimálně v klasickém smyslu, nicméně jsou slabé a podobně jako gravitační konstanta se dají měřit jen obtížně a s nedostatečnou přesností.
Vadí mi jen nejasné a nesystematické materiály vysvětlující funkci či výsledky LIGO, skoro jako von Hayek a Randová.

Odpovědět


Re: ale nic kloudně nevysvětlili.

Mordechai Lemelech,2015-09-22 19:16:56

Boli potvrdené len nepriamo (nobelova cena). Keď priame zachytenie podcenili aj takí velikáni, budú z toho možno aj nejaké zmeny vo fyzike.

Odpovědět


Re: Re: ale nic kloudně nevysvětlili.

Jozef Vyskočil,2015-09-22 19:20:55

Stále si neviem zvyknúť, že prihlasovacie meno rovná sa e-mail.

Odpovědět

Gravitace ovlivňuje světlo

Martin Jahoda,2015-09-21 10:19:31

A tak mi není pořád jasné jak to chtějí měřit. Pokud přece letí paprsek kolem hmotného tělesa tak se ohne a je logické, že pokud letí směrem od hmotného tělesa a protože rychlost světla je konstantní musí se působení gravitace projevit jinak a to tak, že se změní vlnová délka světla - dojde k rudému posuvu - tedy světlo se posune frekvenčně více k rudé barvě. To samé potom platí i obráceně pokud světlo letí k hmotnému tělesu tak se posouvá frekvenčně do modra. Proto pokud na paprsek působí gravitační vlna tak změní jeho frekvenci. Jenže jak tady někdo psal tak stejně gravitační vlna ovlivní i prostor, takže se změna frekvence, která by se detekovala jako fázový posuv vymaže změnou geometrie detekčního zařízení. Ten hlavní problém je v tom že rychlost šíření gravitační vlny a světla je stejný. A když si člověk uvědomí, že gravitační vlna ještě "cukne" při průchodu se zrcadlem, tak podle mě není šance tímto způsobem něco změřit, protože to celý fázový posuv vyrovná. Jedina šance jak to změřit je detektor ve vesmíru, který by sledoval průchod paprsku nějaké vzdálené hvězdy kolem hmotné soustavy generující gravitační vlny. Paprsek by se pak při průchodu cyklicky ohýbal víc a míň a to by se na přesně stabilizovaném detektoru mělo projevit cyklickou změnou polohy dopadajícího světla.

Odpovědět


Re: Gravitace ovlivňuje světlo

Mordechai Lemelech,2015-09-21 18:00:37

To sa mi nezdá. Pri našom pozorovaní svetlo mení farbu preto, lebo jeho zdroj mení vzdialenosť od nás.

Odpovědět

Obávám se, že celková hmota (tj. vlastně energie) se nemění ani při anihilačním triku

Josef Hrncirik,2015-09-21 09:59:18

a tak vlastně nelze vytvořit rychlou změnu gravitační síly "trikem změny gravitačního monopólu",
ale jen malou a pomalou změnu ze směrů či velikostí "gravitačních dipólů".
Pokud dám do poměru střídavou (oscilační, z oběhu) složku detekovatelného grav. zrychlení od dvojhvězdy (tj. vlastně míněnou vlnu) 'a' k neměřitelně malému zrychlení od celé soustavy dvojhvězdy 'A' dostanu (proveďte prosím jako d.ú) a/A = 2.l/(R*R).
Již samotné l/R se blíží ve Vesmírných dálavách k 0.
Samotné velké A je neměřitelně malé.
Proč tedy blbnou na kvadrát a pokouší se změřit neviditelné a?
Čím menší l, tím menší a!
Sice jim roste frekvence, ale k hodnotám ideálním či rozumně měřitelných interferometricky se asi nepřiblíží.
To mělo být přehledně analyzováno v jejich propagandě či zprávách.
Místo toho se tam dají najít záhadné výroky: paprsek má 200 W, cirkuluje laserový tok 1 MW, radiační tlak na zrcadla (jako síla) je 10 gramů (to by pouhá 1 MW nedala!), ztráta při odrazu = prý jen 1 ppm, není jasný průměr paprsku, monochromatičnost, divergence, koherence, ev. módy či snad pulzní režim...
Kéž bych se mýlil!

Odpovědět


l = vzdálenost složek dvojhvězdy; R = vzdálenost od Země k dvojhvězdě

Josef Hrncirik,2015-09-21 16:26:23

Bylo to (snad dobře) odvozeno z Newtonova gravitačního z. pro 2 stejné složky dvojhvězdy (rozdíl A při jejich spojnici mířící k Zemi; Á při spojnici kolmé k tomuto směru; a = Á - A).
Malá (obtížně měřitelná) změna 'a' se navíc má naměřit během velmi krátké doby letu mezi zrcadly (i kdyby foton měl šanci se odrážet opakovaně (od takřka ideálního zrcadla, jinak zatmí)); nejspíš doba zdržení bude příliš krátká aby nachytal dostatečné (měřitelné rozdíly energie z oscilující gravitační složky dvojhvězdy;stejně neudali očekávané frekvence gravitačního příboje; taková příbojová elektrárna se mi nezdá; o mechanizmech a efektech na frekvenci či interferenci jsem ani neuvažoval)

Odpovědět

Zotrvačnosť

Mordechai Lemelech,2015-09-20 19:13:04

Keď gravitačná vlna prechádza medzi dvoma telesami, tak sa mení vzdialenosť medzi nimi. Vážne by ma zaujímalo či sa prejavuje zotrvačnosť telies útlmom vĺn. Ide síce o extrémne malé zmeny vzdialenosti, ale na druhej strane môžu mať telesá extrémne veľkú hmotnosť.

Odpovědět

I bezuchý slon africký cítí dupání kolegů na vzdálenost 0,1 světelné ms.

Josef Hrncirik,2015-09-20 07:36:23

Odpovědět

Šum

Martin Plec,2015-09-19 12:05:55

Jak se při takovýchto přesných měřeních odliší deformace způsobená gravitační vlnou od vibračního šumu, který musí být o mnoho řádů větší? Země na nízkých frekvencích neustále vibruje, na vysokých ne?

Odpovědět

Kvantitativní uvolnění triliónů biliard

Josef Hrncirik,2015-09-19 08:34:19

Laser asi pracuje s vlnou cca 0,4 um, tj. 4*10**-7 m.
Rozdíl 1/2 vlny (tma) je snadno detekovatelný.
Odpovídá rel. délkové změně ramene báze 2*10**-7/(2*4*10**3) = 2,5*10**-11.
Usraelci tedy měří fázi světla s přesností 1*10**-22/2,5*10**-11 = 4*10**-12.
Blahopřeji.

Odpovědět


Zdá se, že jim došla barva při tištění dolarů na 3. orthogonální bazi

Josef Hrncirik,2015-09-20 07:05:38

Odpovědět

Grav. vlny a časoprostor.

Josef Jindra,2015-09-19 07:37:39

Obecně u těchto experimentů mi není zcela jasné jak by se tyto deformace časoprostoru měli detekovat když detekční zařízení je součástí časoprostoru a chvěje se a deformuje spolu s ním, z jeho pohledu by se tedy prostor vždy jevil jako konstatní metrika.

Odpovědět


Re: Grav. vlny a časoprostor.

Marek Fucila,2015-09-19 11:20:13

Tiež som si položil podobnú otázku. Odpoveďou je, že nie všetko je relatívne, a teda "súčasťou časopriestoru". Rýchlosť svetla by mala byť konštantná nezávisle na nameranej dĺžke alebo nameranom čase. Skrátený či predĺžený priestor by sme mali rozpoznať na hodinách. Ak sa priestor vlní, tak by mal byť aj nameraný čas preletu svetla striedavo kratší a dlhší.
No a použiť interferenciu na porovnanie merania času preletu dvoma vzdialenosťami v kolmých smeroch je už len technické riešenie ako merať čo najpresnejšie.

Odpovědět


Re: Re: Grav. vlny a časoprostor.

Jakub Beneš,2015-09-19 16:33:09

proč si myslíte, že gravitační vlny budou mít za následek zkrácený a prodloužený prostor? z definice plyne, že gravitační vlny by měly mít za následek především změnu gravitace. o povaze samotného prostoru nevíme jistě vůbec nic, tedy nemůžeme ani předpokládat jaký na něj budou mít gravitační vlny vliv. dále nevím co tím chtějí měřit. ty gravitační vlny by měly přicházet prakticky neustále ze všech směrů, protože ať se podíváte, kam se podíváte, všude jsou nějaké systémy těsných dvojhvězd, které neustále vyzařují gravitační vlny. takže se to bude slévat dohromady, a to je možná důvod, proč zatím nenaměřili nic. gravitační vlny se v celém vesmíru mohou vzájemnou interferencí vyhladit a žádné naměřit nepůjdou nikdy, pokud nebudete přímo vedle zdroje. princip měření je správný. ale podle mě nejsou správné základní předpoklady.

Odpovědět


Re: Re: Re: Grav. vlny a časoprostor.

Mordechai Lemelech,2015-09-19 18:29:55

Pretože gravitácia dokázateľne zakrivuje priestor. Prečo by sa mali gravitačné vlny vyrušiť, keď u elektromagnetických to nepozorujeme? Okrem toho je tam ten časový rozdiel medzi snímačmi.

Odpovědět


A prečo budem rušiť Slobodné vysilanie nielen gravitačnými vlnami?

Josef Hrncirik,2015-09-20 07:33:12

? Máme pro gravitaci
1.)citlivé
2.)směrové
3.)přeladitelné detektory a zesilovače
4.)bez šumu
5.)izolátory a vodiče gravitace = prostoročasu
6.)proč se tu nechlubí odhadem frekvence a amplitudy signálů a šumů vesmírného či pozemského zdroje
7.)proč je gravitační konstanta měřená s relativní chybou 615 ppm a zda je vůbec naděje na zlepšení
8.)proč neexportujeme seismické monitory bojišť

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Grav. vlny a časoprostor.

Jakub Beneš,2015-09-29 02:13:26

nesrovnavejte gravitacni a elektromagneticke vlny. u elektromagnetickych zname zpusob prenosu. jsou to oddelene castice, fotony. u gravitacnich ne. tam je to zrejme samotny prostor, zadne castice. proc si myslim, ze se vyrusi? protoze gravitace od ruznych objektu se v prostoru mezi nimi odecitaji, nezavisle na jejich velikosti. jakekoliv dva zdroje gravitace se ovlivnuji. pokud by tedy gravitacni vlny byly na stejnem principu jako gravitace, coz se da predpokladat, budou se take vzajemne rusit nebo prinejmensim spolu nejak reagovat. ze gravitace zakrivuje prostor je sice vseobecne uznavana teorie, ale na jejim zaklade se neda odvodit nic o nejakem pulsovani zakriveni prostoru, kdyz jim prochazi gravitacni vlna. take se neda odvodit nic o sile techto vln, jak budou slabnout, se vzdalenosti od zdroje. a presto to tento experiment predpoklada a ma to dopredu spocitane. nepripada vam to divne?

Odpovědět



Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace