Tým LIGO si brousí drápy na Nobelovku. Kredit: LIGO Lab.

Na úvod jenom telegraficky. Einstein v rovnicích obecné relativity předpověděl existenci gravitačních vln. Před sto lety. Jde o vlnění časoprostoru, vznikající při vzájemném pohybu těles v gravitačním poli. Vědci se je snažili polapit, až doteď neúspěšně. Reálně mohou zachytit jenom doopravdy šílené srážky neutronových hvězd nebo černých děr. Na polapení gravitačních vln pracuje několik experimentů.

Marco Drago, první člověk, co se dozvěděl o gravitační vlně. Kredit: Marco Drago.

Vítězem se stal experiment LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), hned poté, co byl v září 2015 spuštěn ve vylepšené verzi Advanced LIGO (aLIGO). Upgrade trval 5 let a stál 205 milionů dolarů. Dne 14. září 2015 si italský postdok Marco Drago v Max Planck Institutu pro fyziku gravitace v německém Hannoveru všiml, že oba dva detektory LIGO polapily něco dost zajímavého. Velký objev si ale žádá pevné důkazy, takže tým LIGO musel objev gravitačních vln ze všech stran prověřit.

Gravitační vlna, kterou ulovil LIGO, je naprosto fascinující záležitost už sama o sobě. Ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let se podle všeho srazily dvě černé díry o hmotnosti 29, respektive 36 Sluncí. Jejich splynutím vznikla černá díra o hmotnosti 62 Sluncí. Zbývající hmotu 3 Sluncí spolklo právě vytvoření gravitačních vln, které se rozletěly vesmírem do všech stran. Podle jednoho ze zakladatelů experimentu LIGO, věhlasného Kipa Thorna z Caltechu, vznikly ve víru této ohromující srážky gravitační vlny, jejichž energie padesátkrát převýšila výkon všech hvězd ve známém vesmíru. Když Zemí prošla gravitační vlna, kterou zachytily detektory LIGO, tak se naše planeta roztáhla a zase smrštila o jedno stotisícinu nanometru, čili asi o průměr atomového jádra. Věda o gravitačních vlnách, to je tornádo extrémů.

Gravitační vlny z ne úplně hladké neutronové hvězdy. Kredit: NASA's Goddard Space Flight Center / S. Wiessinger

Když experiment LIGO v devadesátých letech bojoval o existenci, tak prý jeho hlavními odpůrci při slyšeních v americkém Kongresu byli astronomové. Podle Clifforda Willa, teoretického relativistického fyzika z Floridské univerzity v Gainesville, který podporoval LIGO od samotného počátku, tehdy převládal názor, že LIGO nemá moc co dělat s astronomií. Všechno ale nasvědčuje tomu, že se časy zásadně změnily. Vstoupili jsme do éry gravitační astronomie. Jaké otázky by nám mohla zodpovědět?

Existují doopravdy černé díry?

Pro někoho to může znít úsměvně, ale až doposud se veškerá pozorování černých děr týkala extrémně rozžhaveného materiálu v akrečních discích kolem černých děr. Nikoliv černých děr samotných. Díky historickému objevu experimentu LIGO teď poprvé s takřka úplnou jistou víme, že černé díry skutečně existují. Takové, jaké předpovídá obecná relativita. A není to špatný pocit.

Pozůstatek supernovy Cassiopeia A. Kredit: NASA / JPL-Caltech.

Pohybují se gravitační vlny rychlostí světla?

Vědci předpokládají, že gravitační sílu zprostředkovávají částice zvané gravitony. Pokud by gravitony neměly žádnou hmotnost, tak by se gravitační vlny měly šířit rychlostí světla, přesně podle klasické obecné relativity. Jestli ale gravitony mají nějakou hmotnost, byť sebenepatrnou, tak by měly letět vesmírem o něco pomaleji než světlo. To bude možné zjistit, když některou z budoucích gravitačních vln zachytí LIGO a zároveň některý další experiment, například Virgo v italské Pise. Jestli mají gravitony hmotnost, tak čekejte průvan ve fyzice.

Tvoří časoprostor kosmické struny?

Když jsme zachytili gravitační vlny ze srážky černých děr, tak se může i stát, že zachytíme gravitační vlny, pocházející z kosmických strun. Jestli existují, tak jsou kosmické struny naprosto neuvěřitelné nudle o průměru protonu, velice husté a buď uzavřené nebo nekonečné. Uzavřené kosmické struny by měly mít sklon vyzařovat se v podobě gravitačních vln.

Jsou neutronové hvězdy hrbolaté?

Neutronové hvězdy jsou nesmírně husté vnitřnosti zhroucených hvězd. Jejich extrémní fyziku chápeme jen z části. Právě gravitační vlny by nám s tím ale mohly pomoct. Neutronové hvězdy, jejichž průměr činí kolem 10 kilometrů, by mohly být téměř perfektně kulovité. Anebo jsou na nich nerovnosti, třeba jenom o velikosti pár milimetrů. Neutronové hvězdy úžasně rychle rotují a takové nerovnosti by se měly projevit na vlastnostech gravitačních vln, které při jejich rotaci vznikají.

Bravo, Advanced LIGO! Kredit: Caltech / MIT / LIGO Lab.

Co odpálí explozi ohromných hvězd?

Gigantické hvězdy končí svůj krátký život explozí supernovy, při které vznikne neutronová hvězda nebo černá díra. Supernovy se snažíme simulovat na počítačích, stále ale ještě nerozumíme tomu, jak se odpalují. Kdybychom zachytili gravitační vlny ze skutečných explozí supernov, tak nám mohou poskytnout potřebné odpovědi.

Jak rychle se rozpíná vesmír?

Určení rychlosti rozpínání vesmíru je velmi významné pro celou kosmologii. Zatím to děláme pomocí „standardních svíček“, čili explozí supernov typu Ia. Tento postup ale není tak úplně spolehlivý. Když několik detektorů zachytí stejnou gravitační vlnu, tak bude možné odhadnout, z jaké k nám letí vzdálenosti. Také půjde určit, ze které galaxie k nám dotyčná gravitační vlna přiletěla. Z těchto pozorování bychom měli odvodit nezávislý odhad rychlosti rozpínání vesmíru, snad dokonce přesnější, než jsou soudobé odhady.

Video: LIGO detects gravitational waves. (dívejte se od 16:00)

Literatura

Nature News 9. 2. 2016, NewScientist 11. 2. 2016, Wikipedia (LIGO, Gravitational wave).