Oficiálním dnem objevu (detekce) gravitačních vln je 11. únor 2016. Tehdy na tiskové konferenci ve Washingtonu vedoucí spolupráce LIGO oznámili, že se týmu výzkumníků podařilo poprvé v historii lidstva zaznamenat tento fenomén.
Proroctví velkého Einsteina
Ještě na začátku minulého století (1916) Albert Einstein navrhl, že gravitační vlny existují v rámci jím formulované Obecné teorie relativity (GR). Nezbývá než žasnout nad brilantními schopnostmi slavného fyzika, který s minimem reálných dat dokázal vyvodit tak dalekosáhlé závěry. Mezi mnoha dalšími předpovězenými fyzikálními jevy, které byly potvrzeny v dalším století (zpomalení toku času, změna směru elektromagnetického záření v gravitačních polích atd.), nebylo možné prakticky detekovat přítomnost tohoto typu vln interakce těles až donedávna.
Gravitace je iluze?
Obecně ve světleTeorie relativity může jen stěží nazývat gravitaci silou. Je to důsledek narušení nebo zakřivení časoprostorového kontinua. Dobrým příkladem ilustrujícím tento postulát je natažený kus látky. Pod tíhou masivního předmětu umístěného na takový povrch se vytvoří vybrání. Ostatní objekty pohybující se v blízkosti této anomálie změní trajektorii svého pohybu, jako by byly „přitahovány“. A čím větší je hmotnost předmětu (čím větší je průměr a hloubka zakřivení), tím vyšší je "síla přitažlivosti". Když se pohybuje látkou, můžete pozorovat vzhled divergentního "vlnění".
Něco podobného se děje ve světovém prostoru. Jakákoli rychle se pohybující hmota je zdrojem kolísání hustoty prostoru a času. Gravitační vlna s výraznou amplitudou, tvořená tělesy s extrémně velkými hmotnostmi nebo při pohybu s obrovskými zrychleními.
Fyzikální vlastnosti
Fuktuace metriky časoprostoru se projevují jako změny v gravitačním poli. Tento jev se jinak nazývá časoprostorové vlnění. Gravitační vlna působí na potkávaná tělesa a předměty, stlačuje je a natahuje. Hodnoty deformace jsou velmi malé - asi 10-21 od původní velikosti. Celý problém detekce tohoto jevu spočíval v tom, že se výzkumníci museli naučit, jak takové změny měřit a zaznamenávat pomocí vhodného vybavení. Síla gravitačního záření je také extrémně malá - pro celou sluneční soustavu anoněkolik kilowattů.
Rychlost šíření gravitačních vln mírně závisí na vlastnostech vodivého prostředí. Amplituda kmitání postupně klesá se vzdáleností od zdroje, ale nikdy nedosáhne nuly. Frekvence se pohybuje v rozmezí několika desítek až stovek hertzů. Rychlost gravitačních vln v mezihvězdném prostředí se blíží rychlosti světla.
Nepřímé důkazy
Poprvé teoretické potvrzení existence gravitačních vln získali americký astronom Joseph Taylor a jeho asistent Russell Hulse v roce 1974. Při studiu rozlohy vesmíru pomocí radioteleskopu observatoře Arecibo (Portoriko) objevili vědci pulsar PSR B1913 + 16, což je binární systém neutronových hvězd rotujících kolem společného středu hmoty konstantní úhlovou rychlostí (poměrně vzácný případ). Každý rok se doba otáčení, která byla původně 3,75 hodiny, zkracuje o 70 ms. Tato hodnota je zcela v souladu se závěry z rovnic GR předpovídajících zvýšení rychlosti rotace takových systémů v důsledku vynaložení energie na generování gravitačních vln. Následně bylo objeveno několik dvojitých pulsarů a bílých trpaslíků s podobným chováním. Radioastronomové D. Taylor a R. Hulse získali v roce 1993 Nobelovu cenu za fyziku za objev nových možností studia gravitačních polí.
Uniklá gravitační vlna
První prohlášení oDetekce gravitačních vln přišla od vědce Josepha Webera (USA) z University of Maryland v roce 1969. Pro tyto účely použil dvě gravitační antény vlastní konstrukce, od sebe vzdálené dva kilometry. Rezonanční detektor byl dobře vibrovaný jednodílný dvoumetrový hliníkový válec vybavený citlivými piezoelektrickými senzory. Amplituda výkyvů údajně zaznamenaných Weberem se ukázala být více než milionkrát vyšší než očekávaná hodnota. Pokusy jiných vědců pomocí takového zařízení zopakovat „úspěch“amerického fyzika nepřinesly pozitivní výsledky. O několik let později byla Weberova práce v této oblasti uznána jako neudržitelná, ale dala impuls k rozvoji „gravitačního boomu“, který do této oblasti výzkumu přilákal mnoho specialistů. Mimochodem, sám Joseph Weber si byl až do konce svých dnů jistý, že přijímá gravitační vlny.
Vylepšení přijímacího zařízení
V 70. letech vyvinul vědec Bill Fairbank (USA) návrh gravitační vlnové antény chlazené kapalným héliem pomocí SQUID - supercitlivých magnetometrů. Technologie, které v té době existovaly, neumožňovaly vynálezci vidět jeho produkt realizovaný v „kovu“.
Gravitační detektor Auriga byl tímto způsobem vyroben v National Legnard Laboratory (Padova, Itálie). Základem konstrukce je hliníkovo-hořčíkový válec o délce 3 metry a průměru 0,6 m. Přijímací zařízení o hmotnosti 2,3 tunysuspendované v izolované vakuové komoře chlazené téměř na absolutní nulu. K fixaci a detekci vibrací se používá pomocný kilogramový rezonátor a počítačově založený měřicí komplex. Deklarovaná citlivost zařízení 10-20.
Interferometry
Fungování interferenčních detektorů gravitačních vln je založeno na stejných principech jako Michelsonův interferometr. Laserový paprsek emitovaný zdrojem je rozdělen do dvou proudů. Po několika odrazech a cestách podél ramen zařízení se proudy opět spojí a konečný interferenční obraz se použije k posouzení, zda nějaké poruchy (například gravitační vlna) ovlivnily průběh paprsků. Podobné vybavení bylo vytvořeno v mnoha zemích:
- GEO 600 (Hannover, Německo). Délka vakuových tunelů je 600 metrů.
- TAMA (Japonsko) 300 m ramena
- VIRGO (Pisa, Itálie) je společný francouzsko-italský projekt zahájený v roce 2007 s 3km tunely.
- LIGO (USA, tichomořské pobřeží), lov gravitačních vln od roku 2002.
To poslední stojí za zvážení podrobněji.
LIGO Advanced
Projekt iniciovali vědci z Massachusetts Institute of Technology a California Institute of Technology. Zahrnuje dvě observatoře vzdálené 3 tisíce km ve státech Louisiana a Washington (města Livingston a Hanford) se třemi stejnými interferometry. Délka kolmého vakuatunelů je 4 tisíce metrů. Jedná se o největší takové stavby, které jsou v současnosti v provozu. Až do roku 2011 četné pokusy o detekci gravitačních vln nepřinesly žádné výsledky. Provedená významná modernizace (Advanced LIGO) zvýšila citlivost zařízení v rozsahu 300-500 Hz více než pětinásobně a v nízkofrekvenční oblasti (do 60 Hz) téměř o řád, takovou kýženou hodnotu 10-21. Aktualizovaný projekt začal v září 2015 a úsilí více než tisíce spolupracovníků bylo odměněno výsledky.
Byly zjištěny gravitační vlny
Dne 14. září 2015 zaznamenaly pokročilé detektory LIGO s intervalem 7 ms gravitační vlny, které se dostaly na naši planetu z největšího jevu, který se vyskytl na okraji pozorovatelného vesmíru – spojení dvou velkých černých děr s hmotností 29 a 36 násobek hmotnosti Slunce. Během procesu, který se odehrál před více než 1,3 miliardami let, byly během zlomků sekundy vynaloženy asi tři sluneční hmoty hmoty na záření gravitačních vln. Počáteční frekvence gravitačních vln byla zaznamenána jako 35 Hz a maximální maximální hodnota dosáhla 250 Hz.
Získané výsledky byly opakovaně podrobeny komplexnímu ověření a zpracování, alternativní interpretace získaných dat byly pečlivě ořezány. Konečně 11. února loňského roku byla světovému společenství oznámena přímá registrace jevu předpovídaného Einsteinem.
Fakt ilustrující titánskou práci výzkumníků: amplituda kolísání rozměrů ramen interferometru byla 10-19m – tato hodnota je mnohem menší než průměr atom, protože je menší než pomeranč.
Další vyhlídky
Tento objev opět potvrzuje, že Obecná teorie relativity není jen soubor abstraktních vzorců, ale zásadně nový pohled na podstatu gravitačních vln a gravitace obecně.
V dalším výzkumu vědci vkládají velké naděje do projektu ELSA: vytvoření obřího orbitálního interferometru s rameny o délce asi 5 milionů km, schopného detekovat i menší poruchy gravitačních polí. Intenzifikace práce v tomto směru může hodně napovědět o hlavních fázích vývoje Vesmíru, o procesech, které jsou v tradičních pásmech těžko nebo nemožné sledovat. Není pochyb o tom, že černé díry, jejichž gravitační vlny budou v budoucnu fixovány, řeknou mnohé o jejich povaze.
Pro studium reliktního gravitačního záření, které může vyprávět o prvních okamžicích našeho světa po velkém třesku, budou zapotřebí citlivější vesmírné přístroje. Takový projekt existuje (Big Bang Observer), ale jeho realizace je podle odborníků možná nejdříve za 30-40 let.
