V tomto blogovém příspěvku zkoumáme vědecký význam a nové možnosti, které přinesla první přímá detekce gravitačních vln lidstvem, a zkoumáme, jak to transformovalo moderní fyziku a způsob, jakým pozorujeme vesmír.
Nobelova cena za fyziku za rok 2017 byla udělena třem americkým fyzikům – Kipu Thorneovi, Raineru Weissovi a Barrymu Barishovi – kteří sehráli rozhodující roli v objevu gravitačních vln. Ocenění jim bylo uděleno za jejich přínos v podobě první přímé detekce gravitačních vln v únoru 2016 na interferometru LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Co tedy přesně jsou gravitační vlny a proč je potvrzení jejich existence natolik významné, aby si zasloužilo Nobelovu cenu za fyziku? Abychom tomu porozuměli, nejprve se podívejme na koncept gravitačních vln.
Koncept „gravitačních vln“ existuje již více než století. Albert Einstein je poprvé předpověděl v roce 1916 prostřednictvím své obecné teorie relativity. Podle této teorie objekty s hmotností deformují časoprostor a gravitace je jev, který z tohoto deformování vyplývá. Zrychlující se objekty navíc způsobují, že se tento zakřivený časoprostor zvlňuje a tyto vlny se šíří jako vlny rychlostí světla. Jedná se o gravitační vlny. Když gravitační vlna prochází prostorem, samotný prostor se deformuje, roztahuje se v jednom směru a smršťuje se v druhém.
Zkreslení prostoru způsobené gravitačními vlnami je však extrémně malé, takže jsou za normálních okolností nedetekovatelné. Vznikají ve významných koncentracích pouze během masivních kosmických událostí, jako je srážka dvou černých děr nebo exploze supernovy, ale i tehdy je signál extrémně slabý. Současné detektory gravitačních vln měří změnu v tom, o kolik se prostor roztáhl. Porucha způsobená gravitační vlnou detekovanou LIGO tentokrát roztáhla a smrštila prostor pouze asi 10⁻²¹ krát. Pro měření této nepatrné změny je nutné měřit délku s přesností menší než tisícina poloměru neutronu v detektoru dlouhém přibližně 5 km. To bylo prakticky nemožné. Před LIGO proto nebylo možné gravitační vlny přímo detekovat; jejich existenci bylo možné odvodit pouze nepřímo.
Jak se tedy LIGO podařilo přímo detekovat tyto nepatrné změny délky? Jinými slovy, jak bylo možné pozorovat gravitační vlny? LIGO v zásadě využívá princip interferometru. Interferometr je přístroj, který využívá jev interference světla k měření změn vzdálenosti s ultra přesností. Abychom tomu porozuměli, podívejme se nejprve na interferenci vln.
Vlny jsou podobné vlnění. Když se setkají dvě vlny stejného tvaru, jejich amplituda se buď zvětší (konstruktivní interference), nebo zmenší (destruktivní interference) v závislosti na tom, jak se překrývají. Pokud obě vlny dorazí se stejnou fází, dochází ke konstruktivní interferenci. Pokud však jedna vlna dorazí později, což způsobí, že kombinované vlny budou mimo fázi, dochází k destruktivní interferenci. Časový rozdíl v příchodu dvou vln tedy způsobuje změnu amplitudy kombinované vlny, a to je interferenční jev.
Protože světlo je také vlna, dochází k interferenci, když se dvě světelné vlny sloučí. Analýza amplitudy sloučené vlny nám proto umožňuje vypočítat časový rozdíl v příchodu mezi těmito dvěma světelnými vlnami, což je ekvivalentní výpočtu rozdílu vzdálenosti. Je to proto, že pokud dva světelné paprsky vycházejí současně, čím větší je vzdálenost, tím větší je rozdíl v čase příchodu.
LIGO je založen na „Michelsonově interferometru“ mezi takovými interferometry. Michelsonův interferometr je také historicky významný experimentální přístroj, zejména v Michelsonově-Morleyho experimentu. Tento experiment ukázal, že rychlost světla je nezávislá na směru a že světlo k šíření nepotřebuje žádné samostatné prostředí.
Michelsonův interferometr funguje na následujícím principu. Světlo z jednoho zdroje je rozděleno na dva paprsky centrálně umístěným děličem paprsků (zařízení, které propouští polovinu světla a druhou polovinu odráží). Tyto dva paprsky jsou odráženy zrcadly umístěnými v pevných vzdálenostech a poté se rekombinují a vytvářejí interferenční obrazec. Pokud by se rychlost světla měnila se směrem, lišila by se doba potřebná k rekombinaci obou rozdělených paprsků, což by vedlo ke změně interferenčního obrazce. Michelsonův-Morleyův experiment takovou změnu interferenčního obrazce předpověděl, ale žádná změna nebyla pozorována, což vedlo k závěru, že rychlost světla je konstantní. Tato skutečnost později poskytla Einsteinovi klíčové vodítko k formulování jeho teorie relativity.
LIGO je v podstatě masivním rozšířením tohoto Michelsonova interferometru. Vzdálenost mezi děličem paprsku LIGO a jeho odrazným zrcadlem dosahuje přibližně 4 km. Tato vzdálenost však sama o sobě nestačila pro spolehlivou detekci gravitačních vln, a proto LIGO začlenil „Fabry-Pérotovu trubici“. Tato technika odráží světlo přibližně 400krát v 4kilometrové trubici, čímž efektivně vytváří dráhu o délce 1 600 kilometrů. To umožňuje přesnější měření i nepatrných změn vzdálenosti. Díky této sofistikované technologické kombinaci se LIGO 14. září 2015 poprvé podařilo přímo pozorovat gravitační vlny generované srážkou dvou černých děr.
Proč je tedy objev gravitačních vln tak monumentální událostí? Zaprvé, jeho význam spočívá v přímém potvrzení Einsteinovy teorie relativity. Existence gravitačních vln, předpovězených teorií relativity, byla experimentálně ověřena. Jeho větší hodnota však spočívá jinde. Znamená to, že lidstvo získalo zcela nový nástroj pro pozorování vesmíru. Tato změna je srovnatelná s okamžikem, kdy lidstvo poprvé vytvořilo dalekohled. Doposud se astronomie spoléhala výhradně na světlo – tedy elektromagnetické vlny – pro pozorování nebeských objektů. Ale s tím, jak se gravitační vlny etablovaly jako nový pozorovací nástroj, se konečně otevřela oblast, která byla elektromagnetickým vlnám dříve nepřístupná.
Například v případě explozí supernov jsme nikdy nebyli schopni přímo pozorovat, co se děje v jejich jádrech. Je to proto, že obrovská vrstva materiálu obklopující jádro supernovy blokuje průchod světla. Gravitační vlny však procházejí hmotou s minimální interferencí, což nám umožňuje zachytit jevy odehrávající se hluboko uvnitř nebeských objektů.
Lidstvo nyní stojí na prahu nové éry zvané „astronomie gravitačních vln“. Gravitační vlny nám poskytnou zcela nový pohled na vesmír, umožní nám odhalit tajemství různých nebeských těles a přiblížit se k pochopení původu vesmíru. S napětím očekáváme, k jakým objevům tato pozorování povedou, a doufáme, že výzkum gravitačních vln dále rozšíří lidské chápání vesmíru.
