Letošní rok se navždy zapíše do dějin fyziky jako rok, kdy byly objeveny gravitační vlny. Vědci dokázali díky nim potvrdit existenci černých děr a zároveň našli cestu až k velkému třesku. Jde tak o dosažení zlatého grálu Einsteinovy obecné teorie relativity.
Fyzika zažila jeden z největších převratů od dob Alberta Einsteina a Nielse Bohra. Objev gravitačních vln otevřel dveře ke zkoumání vzniku vesmíru, černých děr nebo neutronových hvězd. Vlny zakřivující samotný časoprostor předpověděl Einstein již ve své obecné teorii relativity. Co jsou ale graviatční vlny, v čem jsou tak výjimečné? Co to znamená pro další vývoj vědy a jak souvisí s černými dírámi? Vše názorně vysvětluje následujících sedm fotek, grafů a simulací.
Gravitační vlny dokážou generovat pouze systémy vykazující značnou asymetrii. Těmito systémy mohou být například dvě neutronové hvězdy, které obíhají kolem sebe nebo výbuch supernovy. V případě objevu vědců z detektoru LIGO šlo o systém dvou černých děr. Vlny, které se podařilo zachytit, vznikly při jejich kolizi, kdy se spojily v jednu větší černou díru. Ovšem po jejich vzájemném spojení v jeden objekt přichází systém o asymetrii a gravitační vlny přestanou vznikat.
Obě černé díry se ve chvíli vzájemné srážky pohybovaly téměř rychlostí světla. Tím vznikly vlny přibližně padesátkrát silnější než jsou všechny ostatní vlny přicházející na Zemi ze všech hvězd pozorovatelného vesmíru. Vědci tak měli velké štěstí, že k tak obrovské kolizi došlo v době, kdy na Zemi žili jen primitivní organismy, a vlny tak z vesmíru dorazily až v září minulého roku. Gravitační vlny jsou, stejně jako ty elektromagnetické, omezené rychlostí světla.
Vlny se vydaly na svou pouť k Zemi ze systému vzdáleného 1,3 miliardy světelných let a k americkému detektoru LIGO dorazily právě v září minulého roku. Několik týdnů poté, co byl detektor po rekonstrukci znovu spuštěn. Vědci tak měli skutečně velké štěstí. Detektor LIGO je sestavený ze tří hlavních částí. Má patu a dvě na sebe kolmá čtyřkilometrová ramena, do nichž z této paty (budova) vysílají vědci laserový paprsek.
Celý experiment tak stojí na laserovém paprsku, který projde patou zařízení (laser), kde se pomocí zrcadla (beam spliter) rozdělí a putuje do obou ramen, která jsou přesně stejně dlouhá. Na konci ramen se odrazí a dorazí zpátky do paty, kde se spojí zpět v jeden paprsek. Pokud dorazí parsek ve stejné fázi v jaké byl vyslán, gravitační vlna Zemí neprošla. Ve chvíli, kdy ale prochází planetou, změní délku obou ramen a rozdělený paprsek projde v každém rameni jinou dráhu. To znamená, že výseldný složený paprsek bude jiný, než předpokládá matematický model. A to se v září minulého roku stalo.
Zachycené vlny pak vypadají jako na obrázku výše. Detektor LIGO leží v amerických státech Washington a Louisiana. Obě zařízení jsou zcela totožná (viz třetí foto). Umístěná takto daleko od sebe jsou kvůli tomu, aby byla pravděpodobnost, že obě zařízení při měření negativně ovlivní stejná událost, prakticky nulová. Například přejezd vozidla nebo seismické vlny. Horní graf tak ukazuje data z prvního a dolní z druhého detektoru LIGO. Zároveň je na obrázku naznačené (predicted) jak vědci předpovídali, že budou vlny vypadat pomocí výpočtů z Einsteinových rovnic. Poslední obrázek porovnává výsledky obou detektorů.
V současné době se detekcí gravitačních vln zabývá několik detektorů. LIGO sídlí v USA a má dvě totožná zařízení (Livingston a Hanford). Navíc se plánuje stavba dalšího v Indii. V provozu je také německý detektor GE 600. V rekonstrukci pak italský VIRGO (ten má ramena v délce 3 kilometrů ale lepší optiku než LIGO) a japonský KAGRA.
V budoucnu se pak připravuje dokonce vesmírný detektor eLISE, který bude sestavený ze tří družic a jedno jeho „rameno“ dosáhne délky pěti milionů kilometrů. Tím se výrazně zvýší přesnost a schopnost měřit gravitační vlny. Budoucnost je tak více než slibná. Díky super přesným přístrojům a existenci gravitačních vln budou vědci schopni nahlédnout až k velkému třesku, kdy vznikl vesmír. Také se otevírá prostor pro zkoumání černých děr nebo extrémně hmotných neutronových hvězd.
Hlubší vysvětlení původu, vzniku a důsledků objevu gravitačních vln si můžete přečíst již brzy v novém vydání časopisu EkonTech na vašich fakultách.
Zdroj obrázků/fotek: LIGO, MIT