Obecná teorie relativity se spolu s kvantovou teorií stala jedním ze dvou pilířů současné fyziky. Po roce 1916, kdy ji Albert Einstein publikoval, si ne vždy jednoduše hledala své místo ve fyzice. Dnes je uznávanou teorií gravitace – gravitační působení nahrazuje zakřivením časoprostoru, ve kterém se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách (geodetikách). Nový přístup ke gravitaci znamenal prvopočáteční velký boj. Obecná relativita však světu dala vysvětlení řady jevů, s nimiž by si Newtonovo pojení gravitace neporadilo. Jmenujme alespoň některé: stáčení perihelia planet, zakřivení světelného paprsku v blízkosti hmotných těles, gravitační čočky, černé díry, expanze vesmíru, červený gravitační posuv, kosmologický posuv a další. Z velkých předpovědí obecné relativity nejsou dodnes přímo pozorovány jen dvě: gravitační vlny a strhávání časoprostoru rotujícím tělesem (Lenseův-Thirringův jev). Oba dva jevy byly pozorovány nepřímo a u obou dvou je vyvíjeno značné experimentální úsilí o jejich přímé pozorování.
 |
| Nápis na budově Sanfordské univerzity, ve které byla sonda připravována. |
|
Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1916. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svojí přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Lenseův-Thirringův jev – strhávání lokálního souřadnicového systému rotujícím tělesem (frame dragging). Jev si lze představit jako strhávání viskózní kapaliny v blízkosti rotujícího tělesa. Jev odvodili zvrovnic obecné relativity Joseph Lense a Hans Thirring v roce 1918. NASA – National Aeronautics and Space Administration, americký Národní úřad pro letectví a kosmonautiku, založen byl v roce 1958. Jde o instituci zodpovědnou za kosmický program USA a dlouhodobý civilní i vojenský výzkum vesmíru. K nejznámějším projektům patří mise Apollo, která v roce 1969 vyvrcholila přistáním člověka na Měsíci, mise Pioneer, Voyager, Mars Global Surveyor a dlouhá řada dalších. |
Gravity Probe B je družice, jejímž úkolem bylo přímé pozorování Lenseova-Thirringova jevu. Podrobně jsme o tomto experimentu psali v Aldebaran Bulletinu 17/2004, takže se zde omezíme jen na stručné shrnutí faktů. Družice vznikla za spolupráce NASA a Stanfordské univerzity, startovala 20. 4. 2004 a byla navedena na polární oběžnou dráhu ve výšce 640 km. Srdcem družice byly 4 gyroskopy o velikosti pingpongového míčku. Gyroskopy byly umístěny v magnetických pouzdrech a otáčely se za teploty okolního kapalného hélia. Povrch gyroskopů byl vyroben z niobu, ten je za nízkých teplot supravodivý a generuje magnetický moment, pomocí kterého byl elektronicky zjišťován směr rotační osy gyroskopů. Rotující Země by měla strhávat časoprostor natolik, že za rok by se měla osa gyroskopů pomocí tohoto jevu odklonit o 42 tisícin obloukové vteřiny. Jde o nesmírně malý úhel, ale autoři projektu předpokládali, že měřitelný. Družice je výsledkem čtyř desetiletí pečlivých příprav. Testování obecné relativity pomocí rotujících gyroskopů navrhl v roce 1959 Leonard Schiff ze Stanfordské university. Ta se také stala hlavním aktérem vyslání družice na oběžnou dráhu.
 |
| Gravity Probe B letící kolem Země. Zdroj: Stanford University. |
Vědecká veřejnost očekávala po roce měření brzké zveřejnění výsledků. Nestalo se tak ale ani v roce 2006, ani v roce 2007. Na stránkách družice se vždy objevily kusé zprávy o pečlivém zpracovávání dat, odstraňování šumu a další možný termín zveřejnění výsledků. Termíny byly s postupem času stále vágnější a začínalo být zřejmé, že družice pracovala na hranici možností změření Lenseova-Thirringova jevu a že se zpracování dat potýká se závažnými problémy. Postupně prosákly na veřejnost problémy družice v plné šíři. Šum ze slunečních vzplanutí v roce 2005 dvakrát přerušil pozorování družice a neočekávané torzní síly dokonce změnily orientaci gyroskopů! Otáčející se gyroskopy podléhaly i dalším systematickým odchylkám od správného směru. Tým ze Stanfordovy univerzity se po celou dobu snažil tyto problémy neúspěšně překonat.
NASA si každoročně nechává vypracovat rozbor svých vědeckých projektů zvaný "Senior Review" od předních amerických odborníků. Poslední je z 22.–25. 5. 2008 a všech patnáct odborníků se shodlo, že k úspěšnému pozorování by sonda musela mít desetinásobnou přesnost a že není jistota, zda tým ze Stanfordovy univerzity může z měřených dat získat smysluplné výsledky. Z těchto důvodů tato "Rada starších" nedoporučila další financování projektu. Fakticky to znamená konec sondy, která stála 750 milionů amerických dolarů.
 |
| Příprava družice na Stanfordské univerzitě. |
Geodetika – nejrovnější možná dráha v zakřiveném časoprostoru. Po této dráze se pohybují všechna volná hmotná tělesa bez rozdílu.
Gravitační čočka – efekt gravitační čočky předpověděl A. Einstein v roce 1936. Hmotný objekt (zpravidla velká galaxie) ležící mezi zdrojem záření a pozorovatelem zakřivuje světelné paprsky podobně jako skleněná čočka v laboratoři. Jsou-li objekty dokonale na přímce, vznikne jako obraz vzdálené galaxie tzv. Einsteinův prstenec. Jsou-li objekty mírně vyosené, vznikne buď oblouk nebo několikanásobný obraz vzdálené galaxie či kvazaru.
Černá díra – zkolabovaný objekt, ze kterého nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v závěrečných fázích vývoje, jiné, obří černé díry, sídlí v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky vznikající v bezprostředním okolí černé díry velmi intenzivně vyzařují.
Červený gravitační posuv – závislost frekvence fotonů na vzdálenosti od tělesa. Fotony opouštějící těleso snižují svou frekvenci (červenají), naopak fotony přibližující se k tělesu zvyšují svou frekvenci (modrají). Jev je způsoben změnou rychlosti chodu hodin v blízkosti hmotných těles.
Kosmologický posuv – posuv spektrálních čar k červenému konci spektra díky rozpínání vesmíru. Při rozpínání dochází nejen ke vzájemnému vzdalování galaxií, ale i k prodlužování vlnových délek záření. Spektrum vzdálených objektů ve vesmíru se tak jeví posunuté směrem k červené až infračervené oblasti. Kosmologický červený posuv je definován předpisem z = (λ - λ0)/λ0, kde λ0 je vlnová délka spektrální čáry v okamžiku vyslání paprsku, λ je vlnová délka téže spektrální čáry v okamžiku zachycení paprsku. Malé kosmologické červené posuvy lze interpretovat pomocí Dopplerova jevu.
Gravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci zhruba 1 kHz.
