Zvětšit obrázek

Téměř kapesní detektor gravitačních vln. Kredit: University of Western Australia.

Einsteinova obecná relativita předpovídá existenci gravitačních vln – vlnění časoprostoru, které se šíří rychlostí světla. Gravitační vlny vznikají při pohybu těles v gravitačním poli. Jejich významným zdrojem by měly být těsné binární systémy s hvězdami, neutronovými hvězdami nebo černými děrami, pak také výbuchy supernov a srážky černých děr, případně neutronových hvězd. Takové šílenosti kolem nás občas najdeme, ale gravitační vlny jsme ještě přímo nepozorovali, necháme-li stranou nešťastný letošní případ dat BICEP-2 z Jižního pólu. Viděli jsme už sice nepřímé důsledky gravitačních vln a Russell Hulse s Josephem Taylorem za to v roce 1993v souvislosti s periodou pulzaru PSR B1913+16 dostali Nobelovu cenu, stále to ale není ono. Proto teď žijeme v době intenzivního honu na gravitační vlny a jistě i budoucí Nobelovky.

Zvětšit obrázek

Mike Tobar. Kredit: University
of Western Australia.

O přímé zachycení gravitačních vln se v současné době snaží celá řada pozoruhodných projektů a chystají se nové a lepší, jako je například již budovaná australská pozemní observatoř Advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) či připravovaná evropská vesmírná mise eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna). Jsou to všechno velmi sofistikovaná a nákladná zařízení, možná jim všem ale první místo vyfoukne nenápadný detektor, který se prý vejde na pracovní stůl. Jeho autory jsou Maxim Goryachev a Michael Tobar z Univerzity Západní Austrálie.

Zvětšit obrázek

Gravitační vlnění dvojice černých děr. Kdy je asi chytíme? Kredit: NASA.

V observatořích gravitačních vln se tradičně používají rezonantní hmotnostní detektory s kovovými bloky o délce kolem jedno metru a váze zhruba jedné tuny. Ty by měly být citlivé na gravitační vlny o frekvencích do několika kilohertz. U takových detektorů je ale velice obtížné zachytit vibrace vyvolané gravitačními vlnami kvůli termálnímu šumu samotných detektorů. Goryachev s Tobarem to řeší tím, že se soustředili na zachycování gravitačních vln na frekvencích 1 až 1 000 megahertz. Taková zařízení fungují za teplot kolem setiny stupně Kelvina nad absolutní nulou, přičemž jsou ve kvantovém režimu, který jim zaručuje nejnižší možnou úroveň rušivého šumu.

Zvětšit obrázek

Nepříliš kapesní detektory LIGO. Kredit: LIGO/ Caltech.

Detektor Goryacheva a Tobara se skládá z křemenného disku o průměru kolem 2,5 cm a tloušťce cca 2 mm, který je připojen k dalšímu kusu křemene a umístěn ve vakuové komoře. Když křemenným diskem projde vysokofrekvenční gravitační vlna, tak by se disk měl rozvibrovat. Svrchní povrch křemenného disku je přitom mírně zakřivený, aby ještě lépe odolával rušivému šumu. Subtilní zvukové vibrace vyvolané gravitačními vlnami by mělo zařízení překlopit na elektrický signál, který zesílí velmi citlivý zesilovač SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), tedy supravodivé kvantové intereferenční zařízení.

I když Goryachev a Tobar vzali do úvahy všechny známé zdroje šumu, tak jim vychází, že by jejich stolní detektor gravitačních vln měl být na gravitační vlny citlivý velmi podobně, jako právě budovaná observatoř Advanced LIGO. Její veliké detektory by měly zachytit gravitační vlny na frekvencích 0,1 až 1 kilohertz, přicházející od těsných dvojhvězd neutronových hvězd nebo dramatických srážek černých děr. Předpokládá se, že observatoř Advanced LIGO uspěje někdy na konci roku 2018. Goryachev s Tobarem ji ale hodlají předhonit a zachytit gravitační vlny exotických axionových či preonových hvězd (pokud ovšem existují), případně černých děr. Lov gravitačních vln bude i nadále výtečnou zábavou se spoustou adrenalinu.

Video:  LIGO Hanford- The Hunt for Gravity Waves. Kredit: LIGO.

Video: Gravitational wave astronomy -- opening a new window on the Universe. Martin Hendry, TEDxGlasgow. Kredit: TEDx Talks.

Literatura

University of Western Australia News 28. 11. 2014, Physical Review D 90: 102005, Wikipedia (Gravitational wave, Gravitational-wave observatory).