Objev gravitačních vln: co vlastně detektor LIGO zachytil?

Letecký pohled na Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detektor (Livingston, Louisiana, USA)
Letecký pohled na Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) detektor (Livingston, Louisiana, USA)

Před 100 lety Albert Einstein vypracoval dodnes platnou teorii časoprostoru a gravitačního pole. Nyní se povedlo vědcům přímo prokázat existenci z jeho teorie plynoucích gravitačních vln čili malých šířících se zvlnění časoprostoru. Díky soustavě laserových interferometrů LIGO se tak lidstvu otevřelo další nezávislé pozorovací “okno do vesmíru”.

Podle Einsteinovy teorie relativity se stane vysílačem gravitačních vln každá rotující hmotná soustava, která vykazuje tzv. kvadrupólovou asymetrii v rozložení hmoty (látky). Protože je však gravitační síla relativně nejslabší silou ve vesmíru, máme šanci gravitační vlny, tedy takto vyvolané zvlnění časoprostoru, zachytit jen tehdy, jsou-li jejich zdrojem velmi rychlé nebo velmi zrychlené přesuny obrovského množství či velké koncentrace hmoty.

V praxi jde většinou o velmi hmotné a navíc často velmi vzdálené soustavy, které obsahují navzájem kolem sebe obíhající nebo kolidující neutronové hvězdy, bílé trpaslíky a černé díry. Může jít také o asymetricky explodující supernovu. Nejbouřlivějším a nejvýraznějším procesem tohoto typu je pak vzájemné pohlcení čili splynutí dvou černých děr.

I tak je ovšem detekce následných gravitačních vln, cestujících napříč mezigalaktickým prostorem, velmi obtížná. Např. odpovídající délková deformace prostoru v tomto případě činí jen maximálně několik průměrů atomu v poměru k rozměrům Sluneční soustavy. V poměru ke 4 kilometrům dlouhého ramene detektoru LIGO pak jde asi o jednu tisícínu nebo desetitisícinu průměru protonu.

V laserovém interferometru se však i malé změny vzdáleností, kterou proletí světlo uvnitř jeho na sebe vzájemně kolmých ramen, projeví na jisté měřitelné změně tzv. interferenčního obrazce. Detekce gravitačních vln je však na samotné hranici dnešních možností měřící techniky a vyžaduje jako nutnou součást odfiltrování všech možných rušivých vlivů a šumu.

Dne 14. září 2015 zachytily dva detektory LIGO zvláštní signál, jehož následná analýza trvala několik měsíců. Signál byl porovnáván se simulacemi různých zdrojů gravitačních vln. Nakonec vědci zjistili, že signatura signálu nejlépe odpovídá scénáři konečné fáze splynutí dvou velmi vzdálených černých děr, které měly před splynutím hmotnosti přibližně 29 a 36 Sluncí, s nejistotou určení hmotností ±4 hmotností našeho Slunce.

Poloměr každé z nich byl asi 80-110 kilometrů. Hmotnost výsledné černé díry přitom činila jen 62 Sluncí a hmotnost/energii o velikosti asi 3 Sluncí “odnesly pryč” právě gravitační vlny. Tato srážka trvala méně než sekundu a odehrála se přibližně ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků. Nakrátko byl ovšem zářivý výkon tohoto gravitačního pulsu asi 50x větší než zářivý výkon všech hvězd v našem pozorovatelném vesmíru dohromady.

Ve frekvenčním spektru signálu byly hojně zastoupeny frekvence o velikostech několika desítek až stovek Hertzů, takže lze tento signál přímo převést na lidským uchem slyšitelný zvuk.

Gravitační vlny po splynutí černých děr zcela zmizely, protože výsledná černá díra už nemá kvadrupólovou asymetrii. Odkud signál přišel, přesně nevíme, protože prostorová rozlišovací schopnost samostatně fungujícího detektoru LIGO je velmi malá. Pravděpodobně ale odněkud ze směru, ve kterém leží na jižní obloze Magellanova oblaka, tedy malé souputnické hvězdné ostrovy, připojené k naší Galaxii.

Při zpětném prohledávání dat z dotyčné části oblohy vědci zjistili, že časově tomuto gravitačnímu “žbluňknutí” přibližně odpovídá nepatrně zpožděný a asi 1 sekundu dlouhý záblesk tvrdého rentgenového záření. Zatím ale není jisté, zdali jde v tomto případě opravdu o přičinnou souvislost. Každopádně se zdá být jisté, že letošní přímý objev gravitačních vln bude odměněn Nobelovou cenou.

Vědci předpokládají, že citlivost detektorů LIGO se během několika let ještě asi 8x zvýší, takže by pak mohly teoreticky zachytávat až několik desítek událostí podobného typu ročně. Budeme tedy schopni registrovat některé bouřlivé jevy spojené s masivními vesmírnými objekty i tehdy, když nebudou spojeny s vyzářením viditelného množství elektromagnetického záření. Možná i tzv. reliktní gravitační vlny, které vznikly krátce po Velkém třesku. Uvidíme tedy další část dosud neviditelného vesmíru.

Zdroje: Phys.Org 1, Phys.Org 2, Phys.Org 3, Phys.Org 4, LIGO 1, LIGO 2, LIGO 3, Physical Review Letters, Aldebaran.cz, Daily Galaxy, APS News, Science News, The New York Times, Kosmologie a astrofyzika (Facebook), Youtube 1, Youtube 2, Scientific American 1, Scientific American 2, Scientific American 3, Scientific American 4, Scientific American 5, ScienceDaily, Nature, Science Magazine, Physics Today 1, Physics Today 2, IEEE Spectrum, NASA, ScienceAlert, New Scientist 1, New Scientist 2, BBC, AstroWatch. Space.com, Wikipedia, arXiv (PDF)