Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu

Mezi fyziky kolují fantastické zvěsti. Zachytili jsme gravitační vlny?

aktualizováno 
Podle zatím nepotvrzených zpráv se poprvé podařilo přímo zachytit gravitační vlny, které před sto lety předpověděla Einsteinova teorie. Obří detektory v USA prý měly zachytit, jak pohyb vzdálených hvězd či černých děr zdeformoval prostor kolem nás. Změna přitom měla být mnohonásobně menší než rozměr jediného atomu.

Ještě není vůbec jisté, zda fyzikální rok 2016 bude přát skutečným objevům, ale rozhodně zatím přeje spekulacím o objevech. Na sklonku minulého roku se objevily zvěsti o objevu nové částice na LHC, které zatím nebyly potrvzeny nebo vyvráceny (a ještě pár měsíců téměř určitě nebudou) a už vedly k záplavě více než stovky teoretických prací. Ještě před polovinou ledna se na Twitteru i blozích objevila nová sprška dohadů, které se tentokrát týkají jednoho téměř přesně sto let starého fyzikálního evergreenu: gravitačních vln.

Jejich existence 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, ale 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 osm hodin 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 by bylo samozřejmě přece jen o nějaký stupeň lepší výsledek, který by se také jistě dočkal ocenění. A velmi pravděpodobně znovu včetně výletu do Stockholmu.

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 možné je 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.

Jedním z možných zdrojů dostatečně silných gravitačních vln je spojení dvou černých děr. Následující video přibližuje, jak by taková událost mohla vypadat pro pozorovatele. Video je zpomalené, ve skutečnosti by celá událost trvala podle simulací zhruba 17 milisekund.

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 milionů 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 se nazývá zkratkou LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, tedy Laserový interferometr pro pozorování gravitačních vln). 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).

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. Kdyby paprsky proletěly úplně stejnou dráhu, musely by v tomto místě jejich vlny být ve zcela shodné fázi (v podstatě by se měly jejich sinusoidy jednoduše zase „složit“ do sebe), a paprsky by se měly znovu zcela harmonicky „sečíst“ do nové vlny. 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. Výsledný paprsek by tak měl mít jinou intenzitu než v ideálním případě. (Velmi přístupný a přitom zajímavý přehled vědy za LIGO i použité technologie najdete - samozřejmě jen v angličtině - na samotných stránkách experimentu).

Skutečnost má ovšem k našemu ideálu obvykle daleko a LIGO není výjimkou. V běžném provozu se ve výsledcích objevuje celá řada nejrůznějších šumů, které se musí více či méně pracně 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 (fyzici jednoduše říkají „kvantový šum“, což zní opravdu jako něco ze sci-fi).

Lidé pracující na projektu LIGO dnes tvrdí, že se jim podařilo dosáhnout zhruba dostatečné citlivosti a dokážou prý zachytit změny rozměrů řádové kolem 1:1022. Přibližně tak platí, že detektor LIGO by měl dnes zachytit změny s přesností jedné tisíciny průměru jednoho protonu.

Citlivost detektoru ovšem postupně roste. LIGO začal na ostro fungovat v roce 2002 a pracoval až do roku 2010. V té době byla jeho přesnost zhruba třikrát menší než dnes. Pak několik let procházely oba detektory modernizací za zhruba 200 milionů dolarů (celková cena tak činí něco přes 600 milionů dolarů), po které se označují jako Advanced (Pokročilé) LIGO. Do provozu byly uvedeny v září minulého roku, kdy dosáhly již zmiňovaného zhruba trojnásobného zlepšení. Na zařízení došlo k výměně prakticky všech důležitých součástí (závěsů, laserů, zrcadel), a tak v podstatě jde o nový systém, jehož provoz je nutné ještě vyladit. „Pokud v této počáteční fázi měření nový detektor zaznamenává nějaký signál, může být způsoben něčím jiným než gravitačními vlnami,“ říká teoretický fyzik Jiří Podolský z Matematicko-fyzikální fakulty UK.

V příštích zhruba pěti letech provozu by se měla přesnost zvýšit celkem asi osmkrát, tedy zhruba o řád (přibližně na 1:1023). V té době už by podle nejuznávanějších teoretických předpovědí měl zachytit až několik desítek událostí ročně.

Zhruba od podzimu letošního roku by také měl být v provozu další podobný detektor, evropský Virgo umístěný v Itálii. Používá trochu jinou technologii (jeho ramena jsou také o více než kilometr kratší), a tak vědci počítají, že spolupráce všech tří detektorů by výrazně zvýšila důvěryhodnost jakéhokoliv pozorování. Navíc by tři detektory také dokázaly velmi přesně zaměřit polohu případného zdroje gravitačních vln na obloze, takže by bylo snadnější jeho zdroj zachytit třeba i optickými či jinými teleskopy (údaje ze dvou amerických teleskopů na obloze vytknou na obloze pouze široký kužel, ve kterém se bude hledat dosti obtížně. Tři detektory prohledávanou oblast zmenší na malý kousek oblohy).

Jestli se ovšem první událost podařilo objevit už nyní, není stále zcela jasné. Gravitační vlny, přesněji jejich detekce, je velké fyzikální téma a i vědci mohou dělat chyby. Fanoušci fyziky si možná pamatují na zprávy o velkém objevu na teleskopu BICEP, který měl objevit stopy gravitačních vln v záření, které ve vesmíru zbylo z doby těsně po Velkém třesku (psali jsme zde). Ale jak se ukázalo, šlo s největší pravděpodobností v podstatě o chybu při odstraňování šumu z měření (efekt způsobovaly rotující prachové částice ve vesmírném prostoru).

Záběr z instalace nového laseru do experimentu LIGO během jeho modernizace na Advanced LIGO

Záběr z instalace nového laseru do experimentu LIGO během jeho modernizace na Advanced LIGO

V tomto případě je situace v mnoha ohledech odlišná a opatrnost je na místě snad ještě více. Tým BICEP svůj objev prověřil (byť zřejmě špatně) a oficiálně veřejně ho oznámil. LIGO však nic takového ještě neudělalo. Informace jsou založeny jen na nejmenovaných zdrojích, které nejsou podle všeho ani spojeny s projektem. Často jmenovaným zdrojem je tweet známého fyzika Lawrence Krausse. Ten o možné detekci gravitačních vln na LIGO psal na Twitter už v září minulého roku, tedy těsně po jeho znovuuvedení do provozu, a v lednu 2016 přidal informaci, že mu zvěst potvrdil další zdroj. Z několika různých zdrojů má údajně zprávy o detekci gravitačních vln (možná ze splynutí dvou černých děr) i fyzik a blogger Luboš Motl. Podle jeho informací by zdrojem signálu měly být dvě kolem sebe obíhající černé díry. LIGO má podle jeho informací objev zveřejněnit 11. února letošního roku.

Kdo přesně je zdrojem informací, tedy nevíme. Mezi zdroji nemá být přímo nikdo z experimentátorů. To nemusí nutně znamenat, že jeho údaje jsou nepravdivé. Aby vědci z LIGO totiž mohli doložit, že objevili gravitační vlny z nějaké velké kosmické události, nejlépe by mělo zachytit i jiné stopy - třeba záznam této události z nějakého dalekohledu nebo například radioteleskopu. „V praxi to funguje tak, že LIGO okamžitě sdílí údaje o zajímavých událostech s teleskopy a porovnávají si pozorování,“ vysvětluje fyzik Jiří Podolský z Matematicko-fyzikální fakulty UK. To tedy znamená, že k údajům o podezřelých událostech se vždy dostávají i lidé mimo samotný experiment, a zdrojů možných úniků je tedy poměrně dost.

Vedení LIGO všechny podobné informace nechtělo přímo komentovat, ale rozhodně je nepotvrzuje. Podle něj ještě neproběhla analýza dat z prvního běhu experimentu, který oficiálně skončil 12. ledna. První výsledky z něj budou nejdříve v únoru. Není to nijak překvapivé, lidé pracující na experimentu jsou vázáni mlčenlivostí, navíc by si jen těžko nechali vzít příležitost oznámit tak zásadní objev.

Tím, že zdroje nejsou přímo z LIGO, vlastně možná navíc odpadá jeden možný důvod, proč by zpráva mohla být nepravdivá (ne, že by jich stále nebylo více než dost). Vedení experimentu má totiž právo si pozitivní výsledky uměle vytvořit, jak ukázalo třeba v roce 2010. Tehdy šéfové vložili do výsledků LIGO signál, který vypadal jako signál gravitačních vln, a nechali všechny několik měsíců pracovat na prověření výsledků. Vědci pracující na projektu neměli možnost, jak „podvod“ objevit, a tak ověřovací proces běžel až do konce. Dokonce napsali i studii, ve které svůj objev oznamovali světu. Pravdu se všichni dozvěděli až během závěrečné videokonference, kde se měl ladit postup zveřejnění. Pro účastníky zřejmě dost psychicky náročné cvičení se dělalo proto, že analýza výsledků je tak obtížná a snadno se v ní dá udělat chyba. Lawrence Krauss v dalším tweetu tvrdil, že podle jeho zdrojů o podobný „planý poplach“ nejde, ale není jisté, zda to vůbec v tuto chvíli může někdo kromě vedení LIGO s jistotou vědět.

LIGO a Virgo mají ovšem tu nevýhodu, že jejich citlivost je zřejmě poměrně malá. Fyzici předpokládají, že gravitační vlny v nich uslyší vždy poměrně nezřetelně přes vysokou hladinu šumu. Nebudou tak moci například podrobně zkoumat podobu vln, která by jim mohla dovolit nahlédnout do jinými metodami nedostupných míst se zcela extrémními podmínkami, jako jsou například černé díry. „Výsledkem LIGO bude nejspíše v podstatě jen ano, či ne - tedy zda gravitační vlny z předpokládaných astrofyzikálních zdrojů existují, nebo ne,“ říká Jiří Podolský.

Více údajů by mohl přinést úspěch evropského projektu (původně evropsko-amerického, ale USA z něj odstoupily) 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 opticky, 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 otevřít nové okno pro pozorování vesmíru.

Z našeho pohledu jedinou vadou projektu je, že celá sestava eLISA by měla začít pracovat až někdy v roce 2034. Pokud se tedy plány do té doby nezmění, nebo se projekt znovu nezpozdí... LIGO se tedy nemusí bát, že ho Evropa předběhne, a to i když se současné zvěsti ukážou jako zcela neopodstatněné.







Hlavní zprávy

Akční letáky
Akční letáky

Prohlédněte si akční letáky všech obchodů hezky na jednom místě!

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2016 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je součástí koncernu AGROFERT ovládaného Ing. Andrejem Babišem.