Vylepšením zařízení se zvýšil dosah detekce splynutí neutronových hvězd. Na obrázku je srovnání situace během druhého a třetího období měření. Dosah je v jednotkách megaparsec (1 Mpc = 3,26 milionů světelných let). Druhé období je u jednotlivých zařízení označeno světlou barvou, třetí pak tmavší (zdroj LIGO a Virgo).

Ke konci roku 2022 by se mělo rozběhnout čtvrté období pozorování gravitačních vln pomocí detektorů LIGO (USA) a Virgo (Itálie). Ty budou mít po výrazném vylepšování vyšší citlivost. Zároveň se k nim připojí i japonský detektor KAGRA. Ten je sice kratší než LIGO, ale je v podzemí a má kryogenní zrcadla, chlazená na velmi nízkou teplotu. Sestava čtyř detektorů umožní ještě přesnější určení směru příchodu gravitačních vln a tím usnadní i případné hledání jejich světelných protějšků.

Než se zaměříme na připravovaný Einsteinův teleskop, podívejme se na přehled dosavadních úspěchů předchozí generace detektorů gravitačních vln. Třetí období pozorování O3 se uskutečnilo mezi dubnem 2019 až březnem 2020 a společně při něm pracovaly LIGO i Virgo. Zpracováním druhé půle O3b tohoto období se podařilo zatím získat 35 případů detekce gravitačních vln. Současný katalog tak celkově nyní obsahuje 90 případů.

Souhrnné výsledky tří běhů detektorů LIGO a Virgo

Připomeňme, že detektor Virgo je jeden a délka jeho ramen je 3 km. Zařízení LIGO jsou vlastně dva detektory, každý na opačné straně USA, v Hanfordu a Livingstonu. Délka jejich ramen je 4 km. Vzdálené umístění a rozdílná orientace umožňuje určit směr, odkud gravitační vlny přišly. Ještě přesněji lze určit pozici zdroje přijatého signálu, pokud jej zachytí všechny tři detektory. I proto týmy LIGO a Virgo velice úzce spolupracují. Jak bylo zmíněno, realizovaly se tři období pozorování těchto detekčních systémů. Mezi nimi docházelo k údržbě a vylepšování těchto zařízení. Tím se postupně daří zvyšovat jejich citlivost, a tím i dosah v pozorování jednotlivých jevů. Na obrázku je situace pro dosah pozorování splynutí neutronových hvězd během druhého (O2) a třetího (O3) období pozorováním. Během blížícího se čtvrtého období (O4) bude situace ještě lepší. V případě detektorů LIGO by se měla dosáhnout citlivost umožňující dosah 160 až 190 Mpc, u detektoru Virgo to bude 80 a 115 Mpc.

Přehled pozorovaných případů černých děr a neutronových hvězd. Jde o neutronové hvězdy a černé díry pozorované ve dvojhvězdách v elektromagnetickém spektru (EM) a při splynutí pomocí gravitačních vln (LIGO Virgo). Pásy jsou vyznačeny oblasti, kde by podle současných teorií měla být existence neutronových hvězd (oranžový) a hvězdných černých děr (zelená) omezená. (Upravený zdroj LIGO a Virgo).

V prvních třech pozorovacích obdobích se podařilo získat okolo 90 případů kandidátů detekce gravitačních vln, což je poměrně velká statistika. Dominantní část je splynutí černých děr, bylo však pozorováno i sedm kandidátů na splynutí dvou neutronových hvězd a sedm kandidátů splynutí neutronové hvězdy a černé díry. Je však třeba poznamenat, že z nich je jen 22 spolehlivě identifikovaných z dobře určenými parametry. U nich jde o dvě splynutí neutronových hvězd a dvě splynutí neutronové hvězdy i černé díry. Ze dvou splynutí neutronových hvězd byl jeden zároveň nejbližším pozorovaným krátkým zábleskem gama. Komplexní pozorování tak potvrdila naše předpoklady, že za krátkými záblesky gama stojí splynutí neutronových hvězd. Obratem se o tom psalo i na Oslovi (zde a zde). Právě v třetí sérii pozorování byly zaznamenány dva případy neutronové hvězdy a černé díry, a to během deseti dní.

U kandidátských případů jsou větší nejistoty v identifikaci a parametrech. Přesto ve své mase mohou významně přispět ke statistické analýze případů zdrojů emise gravitačních vln. Velice zajímavá je statistika hmotností černých děr, jejichž splynutí pozorujeme. Ve vesmíru známe dva druhy černých děr. V jádrech galaxií pozorujeme supermasivní černé díry, jejichž hmotnosti jsou mezi sta tisícemi až desítkami milionů hmotností Slunce. Druhým typem jsou konečná stádia velmi hmotných hvězd.

Podle naších teorií by hmotnosti hvězdných černých děr měly být shora omezeny hodnotou zhruba 65 hmotností Slunce. Nad touto hmotností by měla existovat mezera v existujících hmotnostech černých děr. O pozorování splynutí zatím nejtěžšího systému černých děr se na Oslovi psalo před více než rokem. A právě v tomto případě měla jedna ze splývajících složek binárního systému hmotnost okolo 85 hmotností Slunce, tedy více než je hodnota zmíněné hranice. Je tak otevřená otázka, jak takto hmotné černé díry vznikají.

Přehled hmotností objektů, jejichž splynutí bylo pozorováno. Na ose x je těžší složka a na ose y pak lehčí. Úplně nalevo jsou splynutí neutronových hvězd, s postupem napravo a nahoru pak jsou černé díry.

Pochopitelně by mohly vzniknout splynutím dvou hvězdných černých děr, ale pak by daný systém musel být trojhvězdou s velmi hmotnými hvězdami a je otázkou, jak je pravděpodobná existence takové trojhvězdy, která přežije tři výbuchy supernov i postupné splynutí jednotlivých černých děr. A kde by takový systém mohl vznikat. K vysvětlení tohoto problému by mohlo přispět získání větší statistiky takových jevů a analýza jejich pravděpodobnosti a dalších vlastností. Časté pozorování černých děr v „zakázané“ oblasti hmotností by mohlo ukazovat na existenci primordiálních černých děr vzniklých v inflační fázi Velkého třesku.

Stejně tak neznáme přesné hranice hmotnosti pro existenci neutronových hvězd. Ty jsou ovlivněny stavovou rovnicí jaderné hmoty v jejich nitru. Ta nemusí být jen neutronová, ale v centrálních oblastech by se mohla vyskytovat hyperonová hmota nebo dokonce kvark-gluonové plazma. Takže dostatečně vysoká statistika, která by toto ohraničení možných maximálních hmotností ukázala, by mohla vyřešit otázku vlastností jaderné hmoty uvnitř neutronových hvězd.

Přehled dosahu jednotlivých detektorů při pozorování splynutí neutronových hvězd. Ukázány jsou realizovaná i plánovaná období pozorování (zdroj LIGO, Virgo, KAGRA).

Je tak velice důležité, že se známý vesmírný hvězdný hřbitov stále více zaplňuje a obsahuje stále více informací. Na jeho obrázku je vidět velmi podstatný rozdíl v hmotnostech černých děr pozorovaných pomocí rentgenovského záření ve dvojhvězdách a s využitím gravitačních vln při jejich splynutí. Je třeba zdůraznit, že se jedná o pozorovací výběrový efekt. Počet černých děr s malou hmotností je mnohem vyšší a dominují. Pokud tak můžeme studovat objekty jen v relativně malé vzdálenosti od Země, jako je tomu u černých děr pozorovaných ve dvojhvězdách pomocí rentgenovského záření, tak je vysoce pravděpodobné, že půjde o černou díru s nižší hmotností. Naopak u splynutí černých děr je intenzita gravitačních vln velmi silně závislá na hmotnosti těchto objektů. Zároveň je můžeme pozorovat i ze splynutí ve velmi velkých vzdálenostech, a tedy i ve velkém objemu prostoru. To znamená, že u těchto pozorování dominují černé díry s velkou hmotností.

Rameno detektoru KAGRA (zdroj KAGRA).

Detektor KAGRA

Nový japonský detektor gravitačních vln KAGRA je podzemní a kryogenní. Má dvě ramena o délce tři kilometry. Je postaven v místě observatoře Kamioka, kde je například neutrinový detektor SuperKamiokande. Hloubení tunelů bylo zahájeno v květnu 2012 a dokončeno v březnu 2014. Samotná konstrukce byla dokončena na konci roku 2019 a po zhruba půlroční adjustaci a vylaďování byla zahájena testovací měření, která však byla narušena epidemií COVID-19. První reálná společná měření s detektory LIGO a Virgo by tak měla začít na konci roku 2022.

Citlivost pro nižší frekvence je v tomto případě významně nižší než u detektoru LIGO, a hlavně v dosahu pozorování splynutí neutronových hvězd systém za svými předchůdci zatím zaostává. Jeho postupné průběžné vylepšování by mělo situaci zlepšit. Společná činnost, nyní už čtveřice, stále se vylepšujících detektorů gravitačních vln by mohla přispět k významnému posunu v našich znalostech černých děr i neutronových hvězd.

Einsteinův teleskop

Schéma budoucího Einsteinova teleskopu (zdroj ET).

Dalším dramatickým krokem ve vývoji detektorů gravitačních vln by se měl stát Einsteinův teleskop, který se řadí do III. generace těchto zařízení. Jednalo by se o podzemní kryogenní detektor s délkou ramen 10 km. Všechny tři strany trojúhelníku mají tunel a laserový svazek, stačí tak jeden detekční systém pro určení polohy zdroje gravitačních vln.

Delší rameno a potlačení šumu zajistí i vyšší citlivost a větší dosah zvláště pro nízké frekvence a větší vlnové délky gravitačních vln. Citlivost by tak mohla být až o řád větší. Zvláště výrazné bude zlepšení v oblasti nízkých frekvencí, které jsou důležité pro pozorování splynutí neutronových hvězd a splynutí černých děr s velmi vysokou hmotností.

Dosah pro splynutí černých děr vyjádřený pomocí rudého posuvu pro různé hmotnosti splývajícího binárního systému černých děr. Modře jsou parametry vylepšovaného systému LIGO, zeleně a červeně různé varianty Einsteinova teleskopu a žlutě pak budoucí vesmírný detektor gravitačních vln LISA (zdroj ET, prezentace Paola Pani – zasedání NuPECC).

Dramatické zvýšení citlivosti povede k dramatickému zvýšení počtu zachycených případů. Předpokládá se, že Einsteinův teleskop zachytí sto tisíc případů emise gravitačních vln za rok, tedy jeden každých pět minut. Zvláště dramatický je posun u pozorování splynutí neutronových hvězd. LIGO pozoruje jen velmi malou část probíhajících případů. Naopak Einsteinův teleskop uvidí většinu splynutí a do vzdálenosti 8 miliard světelných let, což odpovídá hodnotě rudého posuvu z=1, uvidí téměř všechny.

Srovnání parametrů detektorů gravitačních vln. Vlevo je závislost šumového pozadí na frekvenci detekovaných vln. Vpravo pak je zobrazeno, jak se tyto parametry projeví v maximální vzdálenosti, na kterou lze detekovat systémy s různou hmotností. Vzdálenost je ukázána v jednotkách velikosti rudého posuvu (zdroj ET, prezentace Paola Pani – zasedání NuPECC).

Téměř všechny krátké záblesky gama tak budou pozorovány i v gravitačních vlnách. Dramaticky se tak rozšíří naše znalosti tvorby těžkých prvků ve vesmíru. U splynutí černých děr bude možné Einsteinovým teleskopem pozorovat téměř všechny případy, které se realizují v námi pozorované části našeho vesmíru. Povede to tak k dramatickému posunu našich znalostí v této oblasti.

Ve dnech 7. a 8. června se v Budapešti uskutečnilo klíčové jednání o přípravě Einsteinova teleskopu. Na něm se i formálně ustavila Organizace projektu Einsteinova teleskopu a konstituovaly její orgány. Zapojilo se do ní 79 výzkumných organizací ze 13 zemí. Projekt je zanesen i do mapy budoucích evropských infrastruktur (ESFRI). Nyní je třeba získat finanční podporu odpovídajících grantových agentur a vybrat také místo, kde se detektor vybuduje. Volit se pravděpodobně bude ze tří navržených míst. První je na hranici mezi Belgií a Nizozemím, druhé na Sardinii a třetí v německém Sasku.

Zobrazení celkového počtu případů a jejich detekce jednotlivými detekčními systémy v různých vzdálenostech, ty jsou vyjádřeny pomocí velikosti rudého posuvu. Nalevo je splynutí neutronových hvězd a napravo pak splynutí černých děr. Zeleně jsou vyznačeny případy detekované systémem LIGO, oranžově ty, které by měl detekovat Einsteinův teleskop a modře pak všechny předpokládané případy. (Zdroj ET, prezentace Paola Pani – zasedání NuPECC).

Závěr

Detektory LIGO, Virgo a KAGRA se připravují ke čtvrtém období pozorování gravitačních vln. Testovací fáze by měla začít v listopadu roku 2022 a standardní režim pak v prosinci. Vylepšování zařízení detektoru LIGO v Livingstone se zdrželo, takže se ke společnému měření připojí až v únoru 2023. Intenzivně se však pracuje na minimalizaci tohoto zpoždění. Pozorovací období by mělo trvat rok s měsíční přestávkou pro údržbu v jeho středu. Připomeňme, že půjde o první reálné zapojení experimentu KAGRA do společných měření. Je tak jasné, že se v průběhu příštího roku můžeme těšit na řadu zajímavých objevů.

Vybudováním Einsteinova teleskopu, tedy detektoru gravitačních vln III. generace, by Evropská unie přispěla k dramatickému kvalitativnímu skoku v našem poznání v této oblasti. Pomocí něho by bylo možné pozorovat téměř všechny splynutí černých děr v námi pozorovaném vesmíru a většinu splynutí neutronových hvězd. Ještě náročnějším projektem je vesmírný detektor gravitačních vln s velmi velkou základnou. Ten nás posune do úplně jiných jejich frekvencí a měl by umožnit pozorovat gravitační vlny pocházející ze samotného Velkého třesku.

I této problematice se věnuje přednáška, kterou jsem měl na Hvězdárně M. R. Štefánika na Petřině:

Poznámka redakce

Gratulujeme autorovi článku k udělení Ceny Akademie věd za popularizaci výzkumu za rok 2020, jejíž předávání bylo kvůli pandemii posunuté.