Práce na vylepšování gravitačního interferometru, které proběhly u detektoru v Hanfordu (zdroj LIGO/Caltech/MIT/Jeff Kissel).

Nedávno pobýval na návštěvě České republiky Kip Thorn, který je jedním z nositelů Nobelovy ceny za detekci gravitačních vln a tím i přímé prokázání jejich existence i existence černých děr. V pátek 17. 5. přednesl excelentní přednášku pro širší veřejnost právě o černých dírách a gravitačních vlnách. Na začátku dubna zároveň začaly pracovat vylepšené detektory LIGO a Virgo. Je tak jedinečná příležitost podívat se na pokrok v dané oblasti a na nově získané poznatky.

Vylepšení probíhalo řadu měsíců a například u detektoru Virgo se podařilo zvýšit citlivost zhruba dvakrát. U interferometru LIGO došlo k výměně pěti z osmi zrcadel za kvalitnější. Na dvojnásobek se zvětšila intenzita laserů. Podařilo se také snížit velikost kvantového šumu, který překrýval slabý signál. Splynutí neutronových hvězd tak bude možné pozorovat až do vzdáleností zhruba 550 milionů světelných let, to znamená až o 190 milionů větší než u předchozích měření.

V posledním článku o této problematice jsem psal o poměrně velké statistice získané během prvního a druhého běhu experimentů LIGO a Virgo. Zároveň jsem předpověděl, že v novém běhu by to díky vylepšení citlivosti detektorů mohly být ročně desítky záznamů gravitačních vln ze splynutí kompaktních konečných stádií hvězd. Tato předpověď se naplnila. Během prvních dvou měsíců třetího běhu bylo předběžně publikováno 16 kandidátů na detekci gravitačních vln. O těch byla okamžitě informována široká odborná veřejnost s cílem zvýšit pravděpodobnost, že se podaří zaznamenat danou událost v jiné oblasti záření, ať už jde o různé oblasti elektromagnetických vln, neutrina nebo extrémně vysokoenergetické nabité částice. Je tak možné, že plánovaná statistika po vylepšení v počtu zhruba jedné detekce splynutí černých děr za týden a jedné detekce splynutí neutronových hvězd bude dokonce překročena.

Práce při vylepšování interferometru LIGO v Livingdstonu (zdroj LIGO/Caltech/MIT/Matt Heintze).

Je možné, že některé z detekcí byly falešné, na druhé straně se s velkou pravděpodobností podrobnějším rozborem zaznamenaných měření podaří z šumu vylovit další případy. Prezentovaný počet však dává dobrou rámcovou představu o dosahované statistice. Je vidět, že se za měsíc zaznamená okolo osmi případů. To znamená ročně zhruba okolo stovky. A to už je opravdu dobrý počet pro statistický rozbor.

Mezi kandidáty detekce gravitačních vln jsou i dva, které by mohly být způsobeny splynutím dvou neutronových hvězd. I v této oblasti se tak statistika reprezentovaná v prvním a druhém běhu měření jedním případem zvětšuje. Jeden z kandidátů by zároveň mohl být způsoben splynutím neutronové hvězdy a černé díry. I když v tomto případě by se mohlo ukázat i, že jde o dvě neutronové hvězdy nebo o falešný případ.

Práce na vylepšení zařízení, které je v části interferometru s vysokým vakuem (zdroj LIGO/Caltech/MIT/Matt Heintze).

Nejlepší nový kandidát na splynutí neutronových hvězd s označením S190425z byl pozorován 25. dubna 2019. Gravitační vlny přišly se vzdálenosti zhruba 500 milionů světelných let. Druhý kandidát S19010g z 10. května 2019 je daleko slabší s méně jasnou interpretací. Pro jeho přesné zařazení bude potřeba dlouhodobější detailní analýza signálů z detektorů. Splynutí neutronových hvězd by mohlo být provázeno emisí elektromagnetického záření ve formě krátkého záblesku gama a dlouhodobější emise viditelného záření ve formě dosvitu. To se podařilo pozorovat v případě detekce gravitačních vln od takové události 17. srpna 2017. Tehdy se povedlo zachytit krátký záblesk gama a světelné i rádiové vlny (zde a zde). To umožnilo například s fantastickou přesností ověřit shodu rychlosti šíření gravitačních vln s rychlostí světla.

Při detekci případu S190425z, který by mohl být splynutím dvou neutronových hvězd, nepracoval jeden LIGO interferometr. Přesnost určení polohy je tak malá a je třeba prohledávat velkou část oblohy (zdroj LIGO/Virgo/NASA/Leo Singer).

U nově zaznamenaných případů se zatím emise dalších typů záření identifikovat nepodařilo. Důvodem je i to, že v době detekce prvního z nich pracoval jen jeden interferometr experimentu LIGO. Ten, který je umístěný v Hanfordu, byl kvůli údržbě vypnutý. Přesnost určení směru příchodu gravitačních vln je tak značně omezená. Je tak potřeba prohledávat okolo čtvrtiny rozlohy oblohy.

Aby se pravděpodobnost souběžného pozorování gravitačních vln a elektromagnetického záření zvýšila, byl vytvořen systém varování, který po identifikaci kandidáta na detekci gravitačních vln posílá informaci o směru jejich příchodu astronomickým observatořím. Je tak naděje, že se v brzké době objeví další případy souběžného pozorování.

Jednotlivé doposud zaznamenané případy. Různou barvou je zobrazena pravděpodobnost, že to byl daný typ události. Modrá je splynutí dvou neutronových hvězd, zelená splynutí černé díry a neutronové hvězdy, červená splynutí dvou černých děr a fialová pak je případ pozemského původu (zdroj Wiki).

Možný kandidát na splynutí černé díry a neutronové hvězdy S190426c byl pozorován 26. dubna 2019. Vzdálenost zdroje byla odhadnuta zhruba na 1,2 miliard let. V té době pracovaly všechny tři gravitační interferometry. Poloha tak byl relativně přesná, při hledání emisí v jiných oblastech spektra je třeba prohlédnout zhruba tři procenta oblohy. Ovšem signál byl v tomto případě velice slabý a jeho identifikace je zatím dost sporná. Lze to přirovnat s lovením šepotu z druhého konce hlučné hospody. Bude tak trvat delší dobu, než detailní analýza umožní přesnou interpretaci. Pokud se však potvrdí, že šlo o splynutí černé díry a neutronové hvězdy, byl by to další průlom do úplně nové oblasti.

Závěr veřejné přednášky Kip Thorna v Praze (zdroj V. Wagner).

Nový společný provoz detektorů LIGO a Virgo bude probíhat nejméně jedenáct měsíců. Větší citlivost znamená větší dosah a radikální nárůst objemu vesmíru, kam detektory dosáhnou. Zvětšuje se tím i počet pozorovaných událostí. Detektory umožňují využít okolo 90 % času pro nabírání kvalitních dat. Zbytek se využije na údržbu, kalibraci a testy. Další zlepšení citlivosti i směrového určení by mělo přinést spuštění kryogenního detektoru gravitačních vln KAGRA v Japonsku. Ten by měl být uveden do provozu na konci roku 2019, takže by se mohl zapojit již do této společné kampaně zařízení LIGO a Virgo.

Také Kip Thorn při své přednášce neskrýval nadšení z tohoto rychlého pokroku. Spolu s ním se můžeme těšit na dramatický pokrok v našem poznání jevů, které doprovázejí konečná stádia velmi hmotných hvězd.