První přímé pozorování před stoletím předpovězených gravitačních vln je nejen triumf fyzikální teorie, ale především začátek nové kapitoly pozorování vesmíru Když Albert Einstein během první světové války začal psát novou kapitolu v dějinách fyziky, ne všechny důsledky jeho teorie se mu líbily. Brzy po zveřejnění obecné teorie relativity si například uvědomil, že gravitace se může projevit vznikem vln, které svým chováním připomínají třeba světlo (nebo jiné elektromagnetické záření). Tyto vlny ovšem deformují (hodně nepřesně řečeno natahují a smršťují) samotný prostor. Vznikají, když se nějaká hmotná tělesa zrychlují nebo zpomalují, ale vzhledem k povaze gravitace jsou velmi slabé, a tak je můžeme pozorovat jen v případě pohybu skutečně ohromných objektů dramaticky měnících rychlost. Výpočty, které Einstein údajně prováděl už během roku 1916, ukázaly, že tyto vlny budou tak slabé, že se stávajícím vybavením a vědomostmi o vesmíru (nevěděl třeba, že existují tak hmotné objekty jako černé díry) je nebude možné zachytit. Trvalo téměř 100 let, než jeho následovníci dokázali pesimistickou předpověď německého fyzika opravit. Ve čtvrtek 11. února americký experiment LIGO oznámil, že jeho detektory Einsteinem předpokládané gravitační vlny poprvé přímo zachytily. Signál detekovaly oba detektory, a to s rozdílem několika milisekund, což odpovídá době, za kterou gravitační vlny pohybující se rychlostí světla urazí vzdálenost několika tisíc kilometrů mezi detektory. Potvrdily se tak zvěsti, které mezi fyziky kolují už několik měsíců. K zachycení vln došlo 14. září 2015, tedy v době, kdy LIGO (nově nazývaný vlastně Advanced LIGO) po dlouhé modernizaci teprve nastupoval do plného provozu. Všechny systémy běžely naplno, ale oficiálně měl sběr vědeckých dat začít až o tři dny později. I proto vědci důkladně prověřovali možnost, zda nejde o signál vzniklý náhodou během testů zařízení. Ale než si představíme výsledky, věnujme se chvíli hlavním „hrdinům“ příběhu: detektoru LIGO a jeho kořisti, tedy gravitačním vlnám. Co jsou zač? Existence gravitačních vln vyplývá z Einsteinovy teorie obecné relativity, která v listopadu 2015 oslavila rovné století od zveřejnění. My laici si je jednoduše můžeme představit jako gravitační obdobu třeba světelného nebo jiného elektromagnetického záření. Chovají se opravdu velmi podobně a i rovnice, které je popisují, jsou si dost podobné, leč gravitační vlny samozřejmě vznikají jinak a mají jiný účinek. Gravitace je v porovnání s ostatními základními fyzikálními silami velmi slabá (ale dokáže působit na velké vzdálenosti), a tak i její vlny jsou velmi slabé, téměř neznatelné. Vytváří se například když nějaký objekt změní náhle svůj tvar (výbuch supernovy) nebo při zrychleném pohybu objektů, a to samozřejmě hlavně těch velkých, pohybujících se velkou rychlostí (velmi blízko se pohybující nebo přímo srážející se hvězdy atp.). Gravitační vlny vám samozřejmě nebudou na rozdíl od těch elektromagnetických třeba rušit příjem televize nebo vás neoslní, působí na prostor a hmotu v něm. Představte si dlouhou trubici s kruhovým průřezem v prostoru. Pokud na ni začne působit dostatečně silná gravitační vlna, trubice se bude smršťovat či roztahovat podle fáze vlny, její intenzity a směru působení. Pro zajímavost: pokud by se vlna šířila přímo ve směru trubice, její průřez by se pravidelně měnil z kruhového v mírně eliptický. Fyzici dlouho o existenci gravitačních vln pochybovali, ale teoretici se nakonec shodli, že by měly existovat. V roce 1974 se to podařilo nepřímo dokázat, když astronomové objevili dvojhvězdu označovanou jako PSR 1913+16. Jde o velmi extrémní příklad takového systému, ve kterém kolem sebe jednou za 8 h obíhají dvě velmi hmotné neutronové hvězdy. Pečlivým měřením se zjistilo, že hvězdy se nechovají úplně podle Newtona. Jejich rotace se mění přesně v souladu s Einsteinovými rovnicemi, které předpokládají, že se část energie hvězd mění v gravitační vlny (v důsledku tedy obě hvězdy „padají“ blíže k sobě a obíhají kolem sebe stále rychleji, až se spojí). Za objev pulsaru PSR 1913+16 a jeho pozorování byla v roce 1993 udělena Nobelova cena. Přímé pozorování gravitačních vln je ale o mnoho lepší výsledek, za který prakticky nepochybně také bude udělena „nobelovka“. Jak na ně Není tak divu, že o detekci gravitačních vln uvažovala celá řada týmů, je to ovšem nesmírně obtížný úkol. Jsou tak slabé, že Einstein si nedokázal představit, jak by se je mohlo podařit zaznamenat. Nejlépe je lze pozorovat u extrémních jevů, jako je splynutí dvou černých děr nebo neutronových hvězd do černé díry, ale takové události (asi naštěstí) nejsou v našem koutě vesmíru zrovna na denním pořádku. V rámci Mléčné dráhy k nim dochází podle odhadů astronomů jednou za tisíce či desítky tisíc let. Lepší je situace se supernovami, které by také měly vyvolat dostatečně silný puls gravitačních vln, ale ani ty nevybuchují na požádání. V Mléčné dráze se objevují v průměru jednou za pár desítek až stovek let, takže i to by vyžadovalo hodně trpělivé experimentátory. Řešením je postavit citlivější přístroje, které dokážou zachytit stopy podobných událostí z širšího vesmírného okolí. Pro představu: vhodným zdrojem signálů by mohla být třeba kupa galaxií v Panně zhruba 50 mil. světelných let daleko a která obsahuje mezi jednou až dvěma tisícovkami galaxií. Tam by k „velkým“ astronomickým událostem mělo docházet relativně často. Když k nám její důsledky dolehnou, není to ovšem nijak dramatické. Odborníci pro představu uvádí, že gravitační vlny ze srážky dvou neutronových hvězd o hmotě zhruba několika Sluncí a následné vytvoření malé černé díry v kupě galaxií v Panně by prostor mezi Sluncem a Zemí měly změnit zhruba o vzdálenost odpovídající průměru jednoho atomu. Ještě neuvěřitelnější se může zdát, že fyzici jsou prý schopni takovou změnu zachytit. Jak? Metod se nabízí několik, ale v praxi by měla mít v tuto chvíli dostatečnou přesnost pouze dvě zařízení na světě. Vlastně jde o dvě kopie stejného experimentu, který je označen zkratkou LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, tedy Laserový interferometr pro pozorování gravitačních vln). LIGO začal naostro fungovat v roce 2002 a pracoval až do roku 2010, aniž gravitační vlny zachytil. Pak několik let procházely oba detektory modernizací za zhruba 200 mil. dolarů (celková cena tak činí něco přes 600 mil. dolarů), po které se označují jako Advanced (pokročilé) LIGO. Jak již bylo řečeno, do provozu byly vylepšené detektory uvedeny v září minulého roku a jejich citlivost byla v té době zhruba třikrát větší než před odstávkou. Zařízení, která stojí v amerických státech Washington a Louisiana, připomínají při pohledu ze vzduchu vlastně velké písmeno L, ovšem s oběma rameny stejně dlouhými. Jde o vakuové tubusy s délkou zhruba čtyř kilometrů, kterými během experimentu probíhá tam a zpět laserový paprsek (jde o největší vakuovou aparaturu na světě). Cesta tam a zase zpátky Paprsek vychází z jednoho bodu, pak se zrcadlem rozdělí do obou tubusů. Na konci každého z nich se odrazí a vrátí zpět do „paty“ písmene L, kde se pak lasery z obou ramen protnou. Vše je vypočteno tak, aby se paprsky proletěly nepatrně odlišně dlouhou dráhu a proťaly se přesně v opačné fázi. To znamená, že na detektor za místem střetu obou paprsků v ideálním případě nemá dopadat vůbec žádné světlo. Pokud ovšem experimentem projde gravitační vlna (ideálně ve směru kolmém na obě ramena, tedy kolmo na povrch Země, to je vliv nejsilnější), tak se délky obou ramen zcela nepatrně změní a oba laserové paprsky se tedy potkají v trochu jiné části své fáze – což znamená, že detektor za místem střetu bude osvětlený. V běžném provozu se najde ovšem celá řada silnějších vlivů, které je nutné odfiltrovat. Jde o tak zjevné věci jako průjezd auta po blízké silnici (i proto jsou experimenty tak daleko od sebe, aby je neovlivnila stejná událost), tepelný pohyb zrcadla nebo projevy některých kvantových jevů. LIGO dnes údajně dokáže měřit změny v délce tunelu a měří s přesností zhruba 10-18 metru. To je těžko představitelné číslo, byť vlastně stačí, když vydělíte jeden metr milionem, pak znovu milionem a ještě jednou milionem. Po prvním dělení se dostanete zhruba na velikost buňky, po dalším na procenta průměru rozměru atomu. Po třetím pak na promile průměru jednoho protonu. A přesnost by se měla ještě mírně zlepšit, jak se zařízení bude během provozu ještě „ladit“ a odborníci s ním získají více zkušeností. Rána, jako když se srazí dvě díry Tak už víme jak, a co to LIGO vlastně zachytilo. Zaznamenané gravitační vlny vznikly při události, která svým rozsahem přesahuje měřítka lidské zkušenosti a téměř i představivosti. Vznikly v důsledku srážky černých děr, jež se po dlouhém „soužití“ před 1 až 1,5 miliardou let spojily v jednu. Jejich hmotnost se pohybovala kolem 30 a 35 Sluncí (s poměrně velkou nejistotou, takže to mohlo být i třeba 25 a 30 Sluncí). Objekty by podle teoretiků měly mít průměr zhruba 150 kilometrů a jejich spojením vznikla nová černá díra o hmotnosti o něco menší, než byl součet hmotností původních objektů. A to proto, že energie odpovídající zhruba hmotností tří Sluncí se během události vyzářila v podobě gravitačních vln. Během zhruba 20 milisekund se tak uvolnila energie přibližně padesátkrát větší, než kolik ji za stejnou dobu vyzářily všechny hvězdy ve vesmíru. Přesná poloha nové černé díry na obloze není zatím známa, protože dva detektory k určení polohy nestačí. Možnosti lokalizace událostí na obloze by se měly výrazně zlepšit letos na podzim, kdy se k dvěma americkým experimentům LIGO přidá evropské VIRGO. Můžeme ale dnes už říci, že důležitost objevu není ani tak v tom, že by se jím prokazovala platnost Einsteinovy obecné teorie relativity – ta byla v podstatě považována za prokázanou už celou řadou starších pozorování a nikdo z fyziků o její platnosti nepochyboval. Zajímavý, ale také ne zcela zásadní, je i fakt, že pozorování je vlastně vůbec první přímý důkaz existence černých „dvouděr“, tedy soustav dvou kolem sebe obíhajících černých děr. Nejdůležitější je, že LIGO tímto výsledkem ověřilo možnost pozorování gravitačních vln jako takových. Fyzici a astronomové nyní poprvé jasně vidí, že existuje nový a zatím nepoužívaný způsob, jak nahlédnout do vesmíru na objekty, které jsme zatím přímo vůbec pozorovat nemohli, třeba právě černé díry. Vzhůru do nebeského klidu Uvidíme, jak tato činnost LIGO půjde. I přes to, jak se detektor už zapsal do dějin fyziky, má observatoř (i po rozšíření o italské Virgo) velkou nevýhodu – je umístěna na Zemi. Fyzici proto předpokládají, že gravitační vlny v nich uslyší vždy poměrně nezřetelně přes vysokou hladinu šumu právě z pozemských vlivů. Lepší by to mohlo být v klidnějším prostředí, třeba ve vesmíru v (relativní) blízkosti Země. Právě to je jádro evropského projektu (původně evropsko- amerického, ale USA z něj odstoupily – což se ovšem zase může s úspěchem LIGO změnit) družic eLISA. Jde o sestavu tří satelitů, které by měly být umístěny v prostoru zhruba milion kilometrů od sebe a vytvářet tak velmi podobné zařízení (tedy také interferometr), jaké na Zemi představuje třeba LIGO, jen v mnohem větších rozměrech. Družice jsou unikátní zařízení, která pomocí přesné optiky, elektroniky a stejně přesných trysek dokážou vytvářet vhodné prostředí pro měření gravitačních vln. V jejich nitru by měly být jako „testovací tělesa“ krychličky ze zlata a platiny, které vlastně nejsou součástí sondy a budou volně plout prostorem. Manévrovací systémy by se měly postarat, aby jim zbytek hmoty sondy nechal naprostý klid na práci, a jen se jemně vznášel stále ve stejném postavení vůči krychličkám, které jsou srdcem detektorů. Třetího prosince 2015 se do vesmíru dostala malá družice LISA Pathfinder, na které by se tento unikátně přesný systém manévrování měl poprvé vyzkoušet v praxi. V současné době je na cestě na místo určení. To leží v blízkosti tzv. libračního bodu, kde se vyrovnávají gravitační vlivy Země a Slunce. Pokud se technologie v kosmu úspěšně prověří, můžeme se dočkat časem i vypuštění trojice satelitů eLISA. Jejich měření by mělo přinést mnohem více informací o zdrojích gravitačních vln (třeba včetně dnes jen těžko pozorovatelných černých děr v jádru galaxií) a hlavně o jiných zdrojích než LIGO (bude citlivější na vlny jiných frekvencí, které vznikají z pohybů objektů jiných rozměrů). Největší „vadou“ projektu je, že celá sestava eLISA by měla začít pracovat až někdy v roce 2034. Ale s nečekaně rychlým úspěchem LIGO můžeme snad doufat, že by eLISA mohla dostat vyšší prioritu. /jj/
