Gravitační vlny byly konečně polapeny

Mimořádná přednáška autora na toto téma proběhne na Štefánikově hvězdárně dne 21. února v 18 hodin.

Gravitační vlny jsou jemné záhyby v předivu časoprostoru, které mohou být generovány mnoha způsoby. K nejznámějším patří oběh dvou hvězd (nejsilnější signál dávají obíhající kompaktní objekty, jako jsou bílí trpaslíci, neutronové hvězdy či černé díry). Gravitační vlnyby ale mělo generovat jakékoli rotující těleso s kvadrupólovou nesymetrií. Může jít také o nesymetrickou explozi supernovy, splynutí dvou kompaktních objektů nebo stochastické vlny vznikající při inflační fázi expanze vesmíru. Existenci gravitačních vln předpověděl na základě své obecné relativity Albert Einstein před 100 lety a jejich hledání jsme věnovali velké množství bulletinů. Nakonec byl úspěšný americký detektor LIGO, o jehož rozsáhlé rekonstrukci jsme psali v AB 41/2015. Objev byl oznámen na slavnostní tiskové konferenci ve Washingtonu dne 11. února 2016.

Gravitační vlny jsou jemné záhyby časoprostoru šířící se rychlostí světla.
Zdroj: Pierre Binétruy, APC, Paris.

LIGO

Detektor LIGO je typický interferometrický detektor. Světlo generované laserem je rozděleno do dvou paprsků, které putují navzájem kolmými vakuovanými rameny k zavěšeným zrcadlům, od nichž se odrazí a v detektoru vytvoří interferenční obrazec. Z něho se dá vyčíst, zda se zrcadla zhoupla na gravitační vlně. Laser má výkon 200 W, ramena jsou dlouhá 4 kilometry, koncová zrcadla mají průměr 34 centimetrů a každé z nich hmotnost 40 kilogramů. Detektory jsou postaveny dva, jeden v Hanfordu (stát Washington, spravujeCalTech), druhý v Livingstonu (stát Lousiana, spravuje MIT). Jejich vzájemná vzdálenost je 3 500 km, což dobře umožňuje hledat koincidence signálu. Hlavním finančním mecenášem projektu je nadace NSF. Obdobné zařízení je v Itálii (Virgo), nicméně v době zachycení signálu nebylo v provozu. O rozsáhlé rekonstrukci detektorů LIGO a Virgo pojednává AB 41/2015, kde naleznete další podrobnosti o obou detektorech.

Letecký pohled na centrální část detektoru LIGO (Hanford, 2008).
Zdroj: CalTech/LIGO.

Zachycený signál

Citlivost detektorů LIGO a Virgo je stále natolik malá, že není možná přímá detekce gravitačních vln generovaných blízkými dvojhvězdami. Přímá detekce gravitačních vln těmito detektory znamenala čekání na náhodu: asymetrickou explozi supernovy v naší Galaxii, splynutí neutronových hvězd nebo jiný katastrofický jev. Dne 14. září 2015 zachytily oba detektory LIGO podezřelý signál, jehož důkladná analýza trvala několik měsíců. Signál byl porovnáván s numerickými simulacemi různých zdrojů gravitačních vln. Nakonec bylo zjištěno, že se čekání na náhodu vrchovatě vyplatilo. Byl totiž polapen signál ze splynutí dvou černých děr. Každá z nich měla před splynutím hmotnost přibližně 30 Sluncí (29 MS a 36 MS). Nejistota určení hmotností je ±4 MS. Hmotnost nově vzniklé černé díry není pouhým součtem hmotností původních černých děr. Je nižší, protože se na gravitační vlny přeměnila látka o hmotnosti rovné přibližně trojásobku hmotnosti Slunce. Signál přišel ze vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků, tj. zhruba z oblasti vzdálené desetinu rozměrů pozorovatelného vesmíru. Směrová charakteristika není příliš přesná, existuje jen odhad oblasti, ve které k této mimořádné události došlo. Jde o jižní oblohu v oblasti Magellanových oblaků (ta jsou ale samozřejmě mnohem blíže).

Zachycený signál. Doba celého impulzu trvala sotva sekundu (tak rychlá je závěrečná fáze splynutí černých děr). Maximum koresponduje s okamžikem splynutí obou objektů. Po splynutí signál zcela vymizí. Na grafu je dobře patrná shoda měřeného signálu z obou stanovišť (Hanford, Livingston). Signály nepřišly ovšem ve stejný okamžik, gravitační vlna se šíří rychlostí světla, proto čelo vlny dorazilo ke každému z detektorů v jiný okamžik (rozdíl je ve zlomcích sekundy). Na grafu jsou signály posunuty tak, aby byly pod sebou. Dobře patrná je také shoda signálu s teoretickou předpovědí získanou z numerických simulací. Zdroj: LIGO.

Odhad místa spojení černých děr určený ze zpoždění signálu z Livingstonu vůči signálu z Hanfordu a z geometrie obou zařízení. Odhad je značně nepřesný. Ke sloučení černých děr došlo na jižní obloze ve směru trpasličích souputníků naší Galaxie, kterým říkáme Magellanova oblaka. Zdroj: CalTech/LIGO.

Závěr

První přímá detekce gravitačních vln je jakýmsi fyzikálním svátkem, je to dlouho očekávaný okamžik, který doslova otevírá další okno do vesmíru. Už víme, že je možné procesy ve vesmíru pozorovat pomocí gravitačních vln. Možná jednou přijde i okamžik, kdy zachytíme reliktní gravitační vlny, posly z období úplného počátku vesmíru, a dozvíme se, jak vznikl vesmír. Letošní objev ale není pouhou detekcí gravitačních vln. Je prvním pozorováním splynutí černých děr a ukazuje, že naše představy o černých dírách jsou správné. Tyto objekty kolem sebe mohou obíhat. Při každém oběhu ztrácejí energii díky vyzařování gravitačních vln a nakonec splynou v jedno jediné těleso. Fyzika získává nástroj k výzkumu extrémních jevů a dostává se do zcela nové etapy poznávání vesmíru. Je symbolické, že se tak stalo právě sto let po předpovědi existence gravitačních vln. Mimořádná přednáška autora na toto téma proběhne na Štefánikově hvězdárně dne 21. února v 18 hodin.

Úspěšnou detekci gravitačních vln oznámil na tiskové konferenci ve Washingtonu 
dne 11. února 2016 ředitel LIGO dr. David Reitze. Zdroj: CalTech/LIGO.

Po napsání

Splynutí černých děr je natolik výrazná událost, že se intenzivně hledají další průvodní jevy tohoto úkazu. V datech z rentgenové observatoře Fermi byl nalezen v čase 0,4 s po detekci gravitační vlny slabý přechodný zdroj tvrdého rentgenového záření, jehož energie byla nad 50 keV (vlnová délka 0,02 nm). Slabý záblesk trval 1 sekundu a jeho poloha zhruba souhlasí s odhadem místa spojení černých děr [6]. Pokud spolu obě události opravdu souvisí, zpřesní se určení polohy z 600 čtverečních stupňů na 200 čtverečních stupňů. Současně se hledají také neutrina doprovázející událost v datech z antarktického detektoru IceCube, zatím ale neúspěšně.

Odkazy