Gravitační vlna

Rozbalit box

Obsah boxu

Gravitační vlna je fluktuace (vlnění) v zakřivení časoprostoru, která se šíří od zdroje ven jako vlna. Tyto vlny přenášejí energii ve formě gravitačního záření. Koncept gravitačních vln poprvé navrhl Albert Einstein v roce 1916 jako jeden z důsledků své obecné teorie relativity. Zdrojem gravitačních vln jsou zrychleně se pohybující hmotné objekty, zejména extrémní astrofyzikální jevy, jako jsou srážky černých děr a neutronových hvězd nebo výbuchy supernov.

Po desetiletích teoretické práce a hledání byly gravitační vlny poprvé nepřímo potvrzeny pozorováním dvojhvězdy Hulse-Taylor v roce 1974. Její oběžná dráha se zkracovala přesně v souladu s předpovědí ztráty energie vyzařováním gravitačních vln, za což byla udělena Nobelova cena za fyziku v roce 1993. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015 observatoří LIGO a byla oznámena 11. února 2016. Tento signál, označený jako GW150914, pocházel ze srážky dvou černých děr. Tento objev, který potvrdil poslední velkou předpověď obecné relativity, znamenal zrod gravitačně-vlnové astronomie a jeho autoři získali Nobelovu cenu za fyziku v roce 2017.

📜 Historie

Historie gravitačních vln je příběhem teoretické předpovědi, která o desítky let předběhla technologické možnosti svého ověření.

🧠 Einsteinova předpověď

Krátce po formulaci základů obecné teorie relativity v roce 1915 si Albert Einstein uvědomil, že jeho rovnice polí připouštějí vlnová řešení, podobně jako Maxwellovy rovnice předpovídají elektromagnetické vlnění. V roce 1916 publikoval práci, kde popsal, jak by zrychleně se pohybující hmotné objekty mohly generovat poruchy v metrice časoprostoru, které by se šířily rychlostí světla. Tyto poruchy nazval gravitačními vlnami (Gravitationswellen).

Einstein byl zpočátku skeptický ohledně jejich reálné existence a možnosti detekce, protože výpočty ukazovaly, že jejich efekt bude extrémně slabý. V roce 1936 se dokonce pokusil publikovat článek, který měl jejich existenci vyvrátit, ale po kritice od recenzenta jej stáhl a přepracoval. Debata o fyzikální realitě gravitačních vln pokračovala až do 50. let 20. století, kdy byla teoreticky pevně ukotvena.

🔭 Nepřímé důkazy

První skutečný důkaz existence gravitačních vln, i když nepřímý, přišel v roce 1974. Radioastronomové Russell Alan Hulse a Joseph Hooton Taylor objevili binární systém PSR B1913+16, který se skládal ze dvou neutronových hvězd, z nichž jedna byla pulsar. Přesným měřením časů příchodu pulzů z pulsaru byli schopni s neuvěřitelnou přesností zmapovat jejich oběžnou dráhu.

Zjistili, že se obě hvězdy k sobě pomalu přibližují po spirále. Jejich oběžná dráha se zkracovala přesně tak, jak předpovídala obecná teorie relativity pro systém, který ztrácí energii vyzařováním gravitačních vln. Tento objev poskytl silné potvrzení Einsteinovy teorie a vynesl Hulseovi a Taylorovi Nobelovu cenu za fyziku v roce 1993.

🔬 První přímá detekce (GW150914)

Přímá detekce gravitačních vln vyžadovala postavení extrémně citlivých přístrojů schopných změřit nepatrné změny v délce. Po desetiletích vývoje byly postaveny laserové interferometry LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ve a Virgo v .

Dne 14. září 2015, jen několik dní po spuštění vylepšené verze detektorů (Advanced LIGO), zachytily oba detektory LIGO v Hanfordu a Livingstonu téměř současně charakteristický signál. Signál, označený jako GW150914, trval pouhých 0,2 sekundy a jeho frekvence se rychle zvyšovala (tzv. "chirp"). Analýza ukázala, že signál dokonale odpovídá srážce a splynutí dvou černých děr o hmotnostech přibližně 29 a 36 hmotností Slunce ve vzdálenosti asi 1,3 miliardy světelných let od Země. Během zlomku sekundy se energie odpovídající třem hmotnostem Slunce přeměnila na gravitační vlny.

Tento objev, oznámený světu 11. února 2016, byl triumfem experimentální fyziky a otevřel zcela nové okno do vesmíru. Za klíčový přínos k vybudování detektoru LIGO a pozorování gravitačních vln obdrželi Rainer Weiss, Barry Barish a Kip Thorne Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2017.

⚙️ Fyzikální podstata

Gravitační vlny jsou fundamentálním projevem dynamiky časoprostoru.

🌐 Vlnění časoprostoru

Podle obecné teorie relativity není gravitace silou v klasickém smyslu, ale projevem zakřivení časoprostoru hmotou a energií. Tělesa se pohybují po nejrovnějších možných drahách (tzv. geodetikách) v tomto zakřiveném časoprostoru. Pokud se hmotný objekt pohybuje se zrychlením (a jeho rozložení hmoty není sféricky nebo cylindricky symetrické), způsobuje ve svém okolí změny v zakřivení časoprostoru, které se šíří ven jako vlny.

Když gravitační vlna prochází prostorem, periodicky jej stlačuje a natahuje. Pokud by například vlna procházela kolmo k rovině s kruhem volně plovoucích částic, kruh by se střídavě deformoval na elipsu v jednom směru a poté na elipsu v směru kolmém.

💨 Šíření a vlastnosti

Rychlost: Gravitační vlny se šíří rychlostí světla ve vakuu (c). To bylo experimentálně potvrzeno při události GW170817, kdy gravitační vlny ze srážky neutronových hvězd dorazily téměř současně se zábleskem gama záření.
Transverzalita: Jsou to příčné vlny, což znamená,- že deformace časoprostoru probíhá v rovině kolmé na směr šíření vlny.
Polarizace: Na rozdíl od elektromagnetického vlnění, které má dvě lineární polarizace (nebo kruhovou), gravitační vlny mají dvě kvadrupólové polarizace, označované jako "plus" (+) a "kříž" (×). Polarizace "plus" deformuje kruh na elipsy podél os x a y, zatímco polarizace "kříž" deformuje kruh na elipsy podél os otočených o 45 stupňů.
Interakce s hmotou: Gravitační vlny interagují s hmotou velmi slabě. To je důvod, proč je jejich detekce tak obtížná, ale zároveň to znamená, že mohou nerušeně procházet i velmi hustým prostředím, které je pro světlo neprůhledné. Umožňují nám tak nahlédnout do nitra supernov nebo do raného vesmíru.

💪 Amplituda a frekvence

Amplituda gravitační vlny, označovaná jako h, popisuje velikost deformace časoprostoru. Je to bezrozměrné číslo, které udává relativní změnu délky (ΔL/L). I pro ty nejenergetičtější astrofyzikální jevy je amplituda na Zemi neuvěřitelně malá. Například pro signál GW150914 byla maximální amplituda řádově 10⁻²¹, což znamená, že rameno detektoru LIGO o délce 4 km se změnilo o méně než tisícinu průměru protonu.

Frekvence gravitačních vln závisí na jejich zdroji. Pozemní detektory jako LIGO a Virgo jsou citlivé na vysoké frekvence (desítky až tisíce Hz), které produkují kompaktní objekty o hvězdných hmotnostech. Budoucí vesmírné detektory jako LISA budou cílit na nízké frekvence (miliHz až Hz), typické pro obří černé díry.

🌌 Zdroje gravitačních vln

Nejsilnější gravitační vlny vznikají při kataklyzmatických událostech zahrnujících extrémně hmotné a kompaktní objekty.

Srážky binárních černých děr: Dvě obíhající černé díry ztrácejí energii vyzařováním gravitačních vln, což způsobuje, že se k sobě přibližují po spirále. V posledních okamžicích před splynutím se jejich rychlost blíží rychlosti světla a produkují extrémně silný signál. Toto je doposud nejčastěji detekovaný typ zdroje.
Srážky binárních neutronových hvězd: Podobně jako u černých děr, i dvě obíhající neutronové hvězdy se k sobě přibližují a nakonec splynou. Tato událost, jako například GW170817, je kromě gravitačních vln doprovázena i silným elektromagnetickým zářením napříč spektrem, včetně záblesku gama záření a viditelného světla z tzv. kilonovy. To umožňuje tzv. multi-messenger astronomii.
Srážky neutronové hvězdy a černé díry: Hybridní systémy, kde černá díra slapovými silami roztrhá neutronovou hvězdu před jejím pohlcením.
Výbuchy supernov: Pokud jádro masivní hvězdy zkolabuje asymetricky, může vygenerovat detekovatelný signál gravitačních vln. Zatím žádný takový signál nebyl s jistotou pozorován.
Rotující neutronové hvězdy (pulsary): Neutronová hvězda s nesymetrickým tvarem (např. s "horou" na povrchu) by při své rychlé rotaci měla nepřetržitě vyzařovat slabé, monochromatické gravitační vlny. Hledání těchto kontinuálních vln probíhá.
Primordiální gravitační vlny: Hypotetické vlny, které mohly vzniknout během kosmické inflace v prvních zlomcích sekundy po Velkém třesku. Jejich detekce by byla přímým oknem do nejranějšího vesmíru a mohla by být pozorovatelná jako specifický typ polarizace reliktního záření.

📡 Detekce gravitačních vln

Detekce gravitačních vln je jednou z největších experimentálních výzev moderní fyziky kvůli jejich extrémně slabé interakci s hmotou.

🌍 Pozemní detektory (interferometry)

Současné detektory jako LIGO, Virgo a KAGRA jsou založeny na principu Michelsonova interferometru. Skládají se ze dvou dlouhých (několik kilometrů), navzájem kolmých ramen ve vakuových tubusech. Laserový paprsek je rozdělen a poslán do obou ramen, kde se odráží od zrcadel na koncích a vrací se zpět, aby se opět spojil.

V klidovém stavu jsou délky ramen nastaveny tak, aby se vracející se světelné vlny destruktivně sečetly a na detektoru byl nulový signál. Pokud prostorem projde gravitační vlna, jedno rameno se nepatrně prodlouží a druhé zkrátí (a naopak v další půlperiodě). Tím se poruší interference a na detektor dopadne světlo. Z charakteru tohoto světelného signálu lze rekonstruovat vlastnosti procházející gravitační vlny. Klíčové je odfiltrování obrovského množství šumu (seismická aktivita, tepelný šum zrcadel atd.).

🛰️ Vesmírné detektory

Pro detekci nízkofrekvenčních gravitačních vln, které mají vlnovou délku milionů kilometrů, jsou pozemní detektory příliš malé. Z tohoto důvodu se plánují vesmírné mise, jako je LISA (Laser Interferometer Space Antenna) pod vedením ESA. LISA bude sestávat ze tří satelitů tvořících v prostoru trojúhelník s délkou strany 2,5 milionu kilometrů. Satelity si budou vzájemně posílat laserové paprsky a měřit nepatrné změny ve svých vzdálenostech způsobené průchodem nízkofrekvenčních gravitačních vln, například od srážek supermasivních černých děr v centrech galaxií.

🕰️ Pulzarové časovací sítě (PTA)

Pro detekci velmi nízkofrekvenčních vln (v řádu nanohertzů) se využívá metoda zvaná Pulsar Timing Array (PTA). Projekty jako NANOGrav, EPTA a PPTA monitorují soubor desítek velmi stabilních milisekundových pulsarů rozmístěných po obloze. Tyto pulsary fungují jako extrémně přesné kosmické hodiny. Gravitační vlny s velmi dlouhou vlnovou délkou, které procházejí naší Galaxií, způsobují drobné, ale korelované změny v časech příchodu pulzů z různých směrů. V roce 2023 oznámilo několik PTA kolaborací silné důkazy o existenci stochastického pozadí gravitačních vln, pravděpodobně generovaného populací obíhajících se supermasivních černých děr.

🔭 Význam a budoucnost

Objev gravitačních vln není jen potvrzením Einsteinovy teorie, ale především začátkem nové éry v astronomii.

👁️ Nové okno do vesmíru

Po staletí jsme vesmír pozorovali pouze pomocí elektromagnetického záření (světlo, rádiové vlny, rentgenové záření). Gravitační vlny nám poskytují zcela nový smysl, jakým můžeme vesmír "poslouchat". Umožňují nám studovat jevy, které jsou jinak neviditelné, jako jsou srážky černých děr, a nahlédnout do míst, která jsou pro světlo neprůhledná, například do nitra explodujících hvězd.

🧪 Testování obecné relativity

Detekce gravitačních vln poskytuje jedinečnou možnost testovat obecnou teorii relativity v extrémních podmínkách silných gravitačních polí a vysokých rychlostí, kde se její předpovědi liší od newtonovské fyziky nejvíce. Doposud všechna pozorování dokonale souhlasí s předpověďmi Einsteinovy teorie.

🌠 Multi-messenger astronomie

Kombinace pozorování gravitačních vln s detekcí světla, neutrin nebo jiných částic z téhož zdroje se nazývá multi-messenger astronomie (astronomie více poslů). Průlomovou událostí byla GW170817, kde byla srážka neutronových hvězd pozorována jak gravitačními vlnami, tak teleskopy napříč celým elektromagnetickým spektrem. To umožnilo například nezávislé měření Hubbleovy konstanty a potvrzení, že při těchto srážkách vznikají těžké prvky jako zlato a platina.

🔮 Budoucí výzkum

Budoucnost gravitačně-vlnové astronomie je slibná. Plánují se nové, citlivější pozemní detektory jako Einstein Telescope v Evropě a Cosmic Explorer v USA, které budou schopny detekovat srážky černých děr téměř v celém pozorovatelném vesmíru. Spolu s vesmírnými detektory jako LISA a sítěmi PTA pokryjeme celé spektrum gravitačních vln a budeme moci studovat širokou škálu jevů, od kosmologického pozadí až po dynamiku supermasivních černých děr.

🤔 Pro laiky

Představte si časoprostor jako napnutou gumovou blánu nebo trampolínu. Když na ni položíte těžkou kouli (jako je Slunce nebo černá díra), blána se prohne. To je to, co vnímáme jako gravitace – menší kuličky se kutálejí směrem k té těžší.

Nyní si představte, že na tuto trampolínu položíte dvě velmi těžké koule (dvě černé díry), které kolem sebe rychle obíhají. Jejich pohyb rozvlní povrch trampolíny. Tyto vlny se šíří od koulí pryč do všech směrů. To jsou gravitační vlny.

Když taková vlna dorazí k vám, způsobí, že se vše, čím prochází, nepatrně natáhne v jednom směru a zároveň smrští ve směru kolmém. Tento efekt je ale tak neuvěřitelně malý, že i vlny od srážky dvou obřích černých děr změní vzdálenost mezi dvěma body vzdálenými 4 kilometry o méně, než je velikost atomového jádra. Právě tuto miniaturní změnu dokáží změřit detektory jako LIGO. Díky nim můžeme "slyšet" ty největší vesmírné katastrofy, které se odehrávají miliony a miliardy světelných let daleko.

Šablona:Aktualizováno