Livingstonská observatoř LIGO v Louisianě. Kredit: LIGO Scientific Collaboration/NSF

Observatoř Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory procházela posledních pět let důkladnou generálkou, která vyšla americké daňové poplatníky na 200 milionů dolarů (celkové náklady na projekt se tak vyšplhaly na 620 milionů). Podle tamních odborníků je však velmi pravděpodobné, že detektory zachytí drobné chvění samotného prostoročasu v průběhu letošního či příštího roku. Po dekádě marného snažení to je prohlášení nadmíru zajímavé.

Jedno ze zrcadel o hmotnosti 40 kg pro odraz laserového svazku na koncích tunelů. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab

Ač je gravitace na velkých škálách zásadní silou formující náš vesmír, zachytit její drobné oscilace je v našich měřítkách úkol zapeklitý. Gravitační vlny vznikají při vzájemném pohybu těles v gravitačním poli. Čím hmotnější tělesa jsou, tím větší máme šanci jejich projevy změřit. Na druhé straně preciznost měření vyžaduje mít pravítko se stupnicí jemnější než rozměr protonu.


Myšlenka měření změn gravitačního pole není nová. Vědci se snaží tyto oscilace zachytit už více než půl století. První skromné pokusy můžeme datovat do začátku šedesátých let, kdy se Joseph Weber z univerzity v Marylandu neúspěšně pokoušel měřit rozdíly ve vibracích hliníkového válce.

Koncem této dekády se prosadila laserová interferometrie jako nejvhodnější (nejpřesnější) řešení. Navíc se ukázalo, že fyzické rozměry laboratoří a detekčních přístrojů musí narůstat až tak, jak to jen finanční rozpočty dovolí. Naše planeta je jedním velkým hadím klubkem rušivých signálů. Některé z nich jsou přírodní povahy (desková tektonika, sopečná činnost, atmosférické jevy), jiné umělé (doprava, průmysl), a musíme brát v potaz i vlastní gravitační pole Země. Proto bohužel snahy vědeckých týmů zachytit jemné oscilace v gravitačním poli mnohdy připomínaly snahu zarovnat materiál na molekulární úrovni křovinořezem.

Technici u části detektoru v Louisianě. Kredit: Michael Fyffe/LIGO

Za poslední tři dekády vzniklo několik pracovišť v USA, Evropě či Japonsku. Za všechny jmenujme například projekty Virgo, KAGRA nebo GEO 600. Tím nejznámějším je však čerstvě repasované zařízení na americkém kontinentu.

Program LIGO byl v nultých letech tohoto století nejambicióznějším a nejdražším vědeckým projektem organizace NSF (National Science Foundation), která dnes kupříkladu řídí a financuje vývoj budoucí pozemní astronomické observatoře LSST. V roce 2002 dosáhly náklady na zhotovení observatoře částku 365 milionů dolarů. Primární program měření (2002-2010) nepřinesl očekávané výsledky, proto padlo rozhodnutí původní projekt dále rozšířit a zdokonalit pod názvem Advanced LIGO.

Zařízení TMS (transmission monitor suspension), které odesílá paprsek k zrcadlům a poté jej opět přijímá. Kredit: Caltech/MIT/LIGO Lab

To je v současné době třikrát citlivější než původní projekt, ale ani s tím se nehodlají odborníci spokojit. Za tři měsíce je plánován další půlroční repas, po kterém bude desetkrát citlivější. Observatoř by měla být schopna detekovat vysoce energetické kolize objektů (páru černých děr či neutronových hvězd) na vzdálenost až 120 megaparseků (326 milionů světelných let).

LIGO tvoří dvě identické observatoře. Jedna z nich se nachází v Livingstonu (stát Louisiana), druhá nedaleko Hanfordu ve státě Washingtonu. Dělí je 3 000 kilometrů, což nám při rychlosti světla (kterou by se měly gravitační vlny šířit) dává časový rozdíl při detekci něco kolem deseti milisekund. Pokud by obě zařízení vlny naměřila s tímto časovým rozdílem, byla by to známka, že sledujeme správnou stopu.
Pracovištím dominují dvojice kolmo umístěných čtyřkilometrových tunelů, jež připomínají z ptačí perspektivy obří písmeno L zasazené do rovinaté americké krajiny a pracují na principu laserové interferometrie.
Paprsek je rozdělen do dvou svazků a odkloněn v osách x a y do dvou směrů pod pravým úhlem. Na konci každého tunelu je zrcadly odrážen zpět. Když se oba odražené svazky dostanou před čtecí zařízení, fázově se vyruší. Pokud by však gravitační vlny zatřásly časoprostorem, došlo by k nepatrnému prodloužení či zkrácení délky jednoho z ramen. Na čtecím zařízením by se objevily stopy světelného signálu.

Vizualizace třírozměrného šíření vln, které generuje pár gravitačně vázaných černých děr. Kredit: Henze, NASA

Čidla zaznamenají opravdu nepatrný délkový rozdíl. Jedná se o jednu částici na každých 1022. Pro představu – je to jako rozlišit změnu vzdálenosti adekvátní šířce lidského vlasu mezi Sluncem a nejbližší hvězdou Alfou Centauri (4,37 světelných let).


V příštím roce plánují vědci rozšířit spolupráci za oceán a spřáhnout data observatoře LIGO s italským projektem Virgo. Ten dosahuje s délkou ramen tři kilometry pouze 75 % přesnosti své větší americké sestry a v současné době rovněž prochází rozsáhlými úpravami.

Princip detekce gravitačních vln. Kredit: Nik Spencer/Nature

Do budoucna jsou plány ještě smělejší. Japonští odborníci budují hluboko pod zemí další interferometr KAGRA (Kamioka Gravitational Wave Detector). Do provozu jej plánují uvést v roce 2018. Evropa si vytyčila projekt Einstein Telescope – obří detektor ve tvaru trojúhelníku o délce strany 10 kilometrů. Bohužel s předpokládanými náklady jedné miliardy eur není jeho budoucnost jistá.

Evropská kosmická agentura připravuje rozsáhlý projekt měření gravitačních vln ve vesmíru s názvem LISA plánovaný kolem roku 2034. Už za několik týdnů udělá v tomto ohledu první důležitý krok a my vás o něm budeme samozřejmě informovat.
Co se observatoří LIGO týče, mohli bychom se letos či v příštím roce dočkat zajímavých výsledků. Bylo by více než symbolické, kdyby se nám přesně sto let poté, co Albert Einstein publikoval svůj první článek o gravitačních vlnách, podařilo dostat na kobylku tajemným oscilacím samotného přediva prostoročasu.

Zdroje

http://www.nature.com/news/hunt-for-gravitational-waves-to-resume-after-massive-upgrade-1.18359

http://www.nature.com/news/physics-wave-of-the-future-1.15561

https://ligo.caltech.edu/page/about

V novém dokumentu z dílny BBC Horizons nám tvůrci umožní ocitnout se na chvilku přímo ve velínu detektoru LIGO. Po dobu minutové sekvence jsme svědky dvou poplachů, které jsou generovány detekčním systémem jako nepatřičné anomálie. U každého z nich obsluha na pár vteřin vytřeští zrak i přes přítomnost kamer. V prvním případě jde o průjezd vlakové soupravy asi 8 kilometrů od detektoru. Když se obsluha snaží vysvětlit původ prvního signálu, je přerušena dalším alarmem. Dosti schizofrenní podmínky, pokud máte slyšet trávu růst, ale po ní zrovna běží stádo vyděšených slonů. Tamní směny se střídají po dvojicích nepřetržitě 24 hodin sedm dní v týdnu.
Průjezd vlakové soupravy v několikakilometrové vzdálenosti znamenal přerušení měření po dobu jedné hodiny, proto se velká část technických vylepšení týkala účinnější izolace detektorů od okolí.