Základy gravitačních vln

Gravitační vlny je vlnění v časoprostoru, které předpověděl Einsteinův model obecné relativity. Detekují se neuvěřitelně obtížně. Abyste je zachytili, musíte velmi přesně měřit vzdálenosti 10 000krát menší než je proton. To je šílenost! Je to jako chtít měřit vzdálenost našeho Slunce k nejbližší hvězdě na přesnost tloušťky lidského vlasu.

Avšak máme technologii, která toto dokáže. ALIGO. Pokročilý pozorovací laserový interferoment gravitačních vln. V listopadu roku 2015 v pondělí ráno LIGO detekovalo první gravitační vlny, které lidstvo mohlo pozorovat. Odkud přišly a co to znamená pro výzkum vesmíru, je prostě neuvěřitelné. Toto je jejich příběh.

Kdysi dávno v předaleké galaxii... Nedělám si legraci, před 1,3 miliardou let v galaxii vzdálené 1,3 miliardy světelných let dvě černé díry začaly rotoval kolem sebe. Čím dál víc se přibližovaly. Černé díry jsou fascinující. Jejich gravitace, síla ohýbající časoprostor, je tak velká, že jim neunikne ani světlo. Nikdo neví, co se nachází v centru černých děr, v místě, kde běžná fyzika nedává smysl.

Víme jen to, že jsou nekonečně husté. Jedna z těch dvou černých děr měla hmotnost 29 Sluncí ta druhá měla hmotnost 36 Sluncí. Avšak široké byly jen kolem 200 km. To je v porovnání se Sluncem, které je miliony kilometrů široké, jako nic. Tyto černé díry kolem sebe kroužily velice rychle. Stejně rychle jako čepel mixéru.

Představte si takto hmotné objekty, které takto rychle rotují. Tím vytvořily vlny v časoprostoru zvané gravitační vlny. Čím blíže si byly, tím větší vlny vytvářely. Nakonec se spojily při rychlosti rovné polovině rychlosti světla. Když se spojily, vytvořily novou černou díru, která zadunila jako zvon a vyvrhla obří množství energie ve formě gravitačních vln. Nakonec utvořila dokonalou kouli. To vše se stalo za 0,2 sekundy.

Během srážky přetvořily obří množství hmoty do energie gravitačních vln. Ztratily hmotnost 3 Sluncí, kterou přeměnily na energii gravitačních vln vyjádřenou Einsteinovou rovnicí E=mc2. Vytvořila se silná gravitační vlna, která se rozběhla všemi směry rychlostí světla. A tohle mě dostává. Během té poslední pětiny sekundy srážka vytvořila 10krát více energie, než je celkový výstup všech hvězd v celém zbytku vesmíru.

Je to naprosto neuvěřitelné. V té době na Zemi... V tento moment naše planeta vypadala úplně odlišně. Byla to holá pustina, neexistovala tráva ani stromy, prostě žádné rostliny ani zvířata. Život existoval ve formě mikroskopických mnohobuněčných stvoření v moři. Během doby, kdy k nám gravitační vlny cestovaly, se vyvinul veškerý život na Zemi.

Vyvinuly se rostliny a zvířata, obojživelníci vystoupili na zemi, nastalo vymírání, objevili se ještěři, dinosauři a savci, další vymírání, vyvinuli se primáti a vznikla celá civilizace lidí. A to vše do soboty 15. listopadu 2015, kdy vědci spustili LIGO kvůli prvním testům. A o dva dny později...

námi proletěly gravitační vlny. Byly to první změřené gravitační vlny na Zemi. A tento zvuk... Je to zvuk gravitačních vln. Přestože gravitační vlny rozpohybují časoprostor a ne vzduch, vibrují na podobných frekvencích, takže je můžeme přeměnit na zvukové vlny a poslechnout si je. Nemusí to znít nijak zajímavě, ale zaznamenání gravitačních vln je velkou vědeckou událostí.

Výsledky této detekce jsou dalekosáhlé. Je to první případ, kdy byly černé díry zaznamenány přímo. Gravitační vlny jsou jediný způsob, jak je přímo detekovat. Berte to takhle, veškeré vědění o vesmíru dodnes pocházelo z teleskopů, které zaznamenávaly světlo v elektromagnetickém spektru. Radiové vlny, viditelné světlo, rentgenové paprsky...

nebo díky detektorům subatomárních částic. Všechny tyto existující teleskopy gravitační vlny nedokáží rozpoznat. To znamená, že astronomie gravitačních vln je úplnou novinkou, novým způsobem, jak pozorovat vesmír. Už dokázala zodpovědět některé důležité otázky. Gravitační vlny existují, černé díry existují, a gravitační vlny cestují rychlostí světla. Takto detektor LIGO funguje.

Existují dvě budovy ve tvaru L, jedna v Handfordu ve Washingtonu a druhá v Livingstonu v Lousianě. Také existuje další detektor zvaný VIRGO, který je v Itálii blízko Pisy. Díky tomu, že vědci mají několik detektorů, mohou si ověřit signály z vesmíru tím, že zkontrolují, zda se objevily i na jiných detektorech. Jsou daleko od sebe, protože tak můžete za pomoci triangulace určit, z jakého směru vlna přichází. I přestože vlny cestují rychlostí světla, mezi jednotlivými detektory vznikne zpoždění v řádech milisekund.

V každém z těchto zařízení se nachází laserový interferometr. Laserové světlo je rozděleno do dvou paprsků, z nichž se každý vydá do čtyřkilometrového ramena. Poté je odraženo od 40kilogramového křemíkového terče, který visí ze stropu. Drží ho série několika kyvadlech, které ho mají odizolovat od vnějších rušení, například projíždějících aut nebo kýchajících lidí.

Pokud se snažíte změřit vzdálenost na přesnost menší než jádro atomu, je velmi důležité eliminovat vnější vlivy. Každé rameny odrazí paprsek 400krát, čímž se rameno vlastně stane 1 600 km dlouhé. Pokaždé je paprsek trochu posílen. Nakonec je světlo shromážděno a spojeno takovým způsobem, že pokud jsou ramena stejně dlouhá, signál se vyruší a detektor nic nezaznamená.

Pokud se objeví gravitační vlna, natáhne nebo zkrátí každé rameno. Světlo z každého ramena dorazí v lehce rozdílném čase. Když se opět zkombinují, už se plně nevyruší a objeví se signál. Přesně toto se stalo 14. listopadu. Je úplně šílené si představit, že kdyby zapnuli detektor o dva dny později, naprosto bys propásli signál, který k nám cestoval 1,3 miliardy let.

Napadá mě, jaké signály z vesmíru jsme už propásli a jaké stále čekají, až je odhalíme a o kterých zatím nevíme. V době tvorby tohoto videa LIGO detekoval ještě silnější kolizi dvou černých děr. V budoucnosti můžeme čekat ještě víc. Vědci už dosáhli mnoha vědeckých cílů, ale chtějí ještě víc. Například by mohli lépe změřit, jak rychle vesmír expanduje a kolik temné energie existuje.

Snad nám bude moct ukázat přerod hvězd v supernovy. Může být schopný prozkoumat podstatu časoprostoru a zjistit, zda se skládá z kosmických strun. Nejúžasnější je, že netušíme, co může najít. Nejlepší částí vědy je, když získáte nový nástroj, který vám umožní nahlédnout na skrytou součást reality. Kdo ví, co najdete. Možná objevíme věci, které nám pomohou vysvětlit záhady vesmíru.

Možná najdeme něco, co vůbec nedokážeme vysvětlit, takže budeme muset vymyslet novou fyziku. V každém případě je to velmi vzrušující a nemůžu se dočkat dalších výsledků. Toto jsou základy astronomie gravitačních vln. Překlad: Mithril www.videacesky.cz