Vědci mají objev dekády. Fyzici pracující na experimentu LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) uvedli, že detekovali gravitační vlny.
Na potvrzení gravitačních vln čekalo lidstvo celé století. Jejich existenci předpověděl Einstein v roce 1916 a podle jeho obecné teorie relativity vysvětlují, jak hmota ovlivňuje tvar, prostor a čas ve vesmíru. Detekce proběhla v září minulého roku. Stojí za ní dvojice černých děr, které se srazily a splynuly ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let od Země.
„Máme zde potvrzení jednoho z posledních jevů obecné relativity, který byl zatím znám jen z nepřímých pozorování,“ okomentoval objev český teoretický fyzik a popularizátor fyziky profesor Petr Kulhánek.
„Změřili jsme změny v řádu tisíciny průměru protonu,“ uvedl při tiskové konferenci ředitel experimentu LIGO David Reitze.
Dvojice laserových detektorů LIGO v amerických státech Washington a Louisiana podle vědců zachytila, jak pohyb vzdálených výrazně hmotných těles (dvojice zhruba poloviční rychlostí světla kolem sebe obíhajících černých děr s předpokládanou hmotou zhruba o třicetinásobku našeho Slunce) „poznamenal“ okolní prostor. Gravitační vlny, respektive gravitační radiace a schopnost je detekovat, podle astronomů otevírá úplně novou éru fyziky.
Petr Kulhánek je v tomto ohledu poněkud střídmější a spíše než o přepisování stávajících učebnic hovoří naopak o jakémsi uklidnění situace. „Dlouhodobá absence přímého pozorování (gravitačních vln, pozn. red.) fyziky poněkud zneklidňovala,“ uvedl s tím, že jde hlavně o potvrzení dobré kondice současného výzkumu.
O existenci tohoto objevu se spekulovalo od začátku letošního roku, kdy známý fyzik zabývající se gravitací a sní spojenými jevy Lawrence M. Krauss tweetnul, že má z „vlastních zdrojů“ potvrzeno, že studie odhalující existenci gravitačních vln úspěšně prošla peer review, tedy akademickým posouzením kvality a přesnosti použitých postupů.
PR oddělení experimentu LIGO (na němž se podílí téměř tisícovka fyziků z celého světa) v té době netečně dementovalo veškeré spekulace, když však před týdnem svolalo dnešní tiskovou konferenci a potvrdilo přítomnost jednak zástupců z Caltech, MIT a Národní vědecké nadace, bylo jasné, že půjde o „něco velkého“.
Jak Petr Kulhánek popisuje gravitační vlny
Pokud vhodíte do vody kámen, budou se od místa dopadu šířit na vodní hladině kruhové vlny. Na nich se budou pohupovat listy i další nečistoty plující na hladině. Gravitační vlny si můžete představit podobně. Jde o pravidelné záhyby v čase a v prostoru, na nichž se pohupuje vše, s čím se setkají. Je zde ale mnoho rozdílů.
Na rybníku se vlny šíří vodou, u gravitačních vln jde o rozvlnění samotného časoprostoru. Také rychlost je odlišná. Vlny na vodě se pohybují pomalu a jejich rychlost je dána tíží a elastickými vlastnostmi kapaliny. Gravitační vlny se podle obecné relativity šíří rychlostí světla, což je nejvyšší možná rychlost šíření informace.
Dalším rozdílem je způsob vzniku. Do rybníka můžete vhodit kulatý kamínek a vlny se nepochybně vytvoří. Gravitační vlny ale nevzniknou za pomoci sféricky symetrického tělesa, ani kdyby rotovalo. K vytvoření gravitačních vln nepostačí dokonce ani dipólová nesymetrie (například elipsoid rotující podél jedné ze svých os), která je dostatečná ke genezi elektromagnetických vln. Pro vytvoření gravitačních vln musí mít rozložení hmoty tzv. kvadrupólovou nesymetrii – tj. nesymetrii ve dvou nezávislých směrech. Nejjednodušším příkladem jsou dvě hvězdy obíhající kolem společného těžiště.
Experiment LIGO v Louisianě
Vědci postavili dvě totožná zařízení v rámci experimentu LIGO ve státech Washington a Louisiana, zhruba dva tisíce mil od sebe, aby vyloučili případný vstup lokálních seismických aktivit do výsledků měření. Experimentální zařízení mají specifický tvar do L, obě jejich ramena však mají stejně dlouhá. V každém čtyřkilometrovém rameni je speciální tubus, kterým proudí laserový paprsek, jež vychází z místa styku obou ramen přístroje. Na konci má každé rameno zrcadlo, které zmíněný paprsek vrací zpět do bodu vzniku. Vědci kontrolují, zda se navrácený paprsek nachází ve stejné fázi, respektive má stejnou vlnovou délku jako ten, který se původně „vydal na cestu“.
Instalace tubusu v experimentu LIGO (obr.: LIGO)
Jelikož gravitační vlny, podle své definice, ovlivňují prostor, kterým prochází, vědci spoléhají, že se tak děje i v okamžiku, kdy vlna prochází místem experimentu – tedy nepatrně změní rozměry obou ramen experimentu, ideálně pak délku. Tato změna se pak projeví nesouladem ve vlnové délce navráceného laserového paprsku.
Experiment LIGO v Louisianě (obr.: LIGO)
Dokument o experimentu LIGO
Videosimulace efektu gravitačních vln
Jak to vypadá, když se „slučují“ dvě černé díry
Úvodní obrázek: Twitter @kevinarts
