Surfování na gravitačních vlnách

„Bude to revoluce,“ prohlásil Erik Katsavounidis z MIT, jeden z týmu vědců v pozadí dlouho očekávaného objevu gravitačních vln. 11. února 2016 oznámila observatoř LIGO – Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory – , že zachytila gravitační vlny prodlužující a zkracující kosmický čas způsobený pohybem masivních objektů. Oznámení vyvolalo mezi fyziky a astronomy na celém světě senzaci.

Srazily se černé díry

Gravitační vlny umožní zkoumat fundamentální fyziku a nejzáhadnější objekty ve vesmíru a snad umožní i nahlédnout až k samým počátkům vzniku vesmíru. Dejan Stojkovic ze State University of New York, Bufallo, poznamenal, že potenciálně lze zpětně sledovat celou cestu až k velkému třesku.

Signál byl zachycen 14. listopadu 2015 dvěma observatořemi LIGO, a to v Hanfordu ve Washingtonu a v Livingstonu v Lousianě. Byl výsledkem kolize dvou černých děr, z nichž každá měla třicetkrát větší hmotnost než naše Slunce. Detaily signálu naznačují, že se tyto objekty k sobě postupně neustále více přibližovaly, až konečně splynuly v jeden. Tato událost řeší jednu otevřenou otázku astronomů, protože až dosud se existence binárních černých děr zpochybňovala. Černé díry  je téměř nemožné objevit, pokud kolem nich neobíhá něco jasného, jako je například hvězda.

Příštím cílem bude sledování gravitačních vln ze zaniklé spirály dvou neutronových hvězd. Na rozdíl od černých děr, které do sebe vše vtahují, kolidující neutronové hvězdy chrlí horkou jasnou hmotu do kosmu, což by pomohlo zkoumat i jiné záhady. Studium těchto explozí by například pomohlo vysvětlit záhadné elektromagnetické jevy - neobyčejně jasné záblesky krátkovlnných gama paprsků. Mohlo by rovněž vysvětlit, kde ve vesmíru vznikají těžké kovy, jako je uran, thorium a zlato.

Detekce gravitační vlny přicházející z fúze jakékoliv neutronové hvězdy

Během dvou následujících let by mohla být zařízení v observatořích LIGO tak citlivá, aby detekovala gravitační vlny přicházející z fúze jakékoliv neutronové hvězdy z nejbližších 300 000 galaxií. Umožnila by sledovat jeden signál každý měsíc. Detekce těchto jednotlivých událostí je však jen začátkem. Avi Loeb z Harvard University uvádí, že pokud by bylo možné detekovat několik událostí, bylo by možné nahlédnout až do samých začátků vzniku a složení vesmíru jako celku. Například signály z celé řady fúzí černých děr mohou pomoci pochopit povahu energie temné hmoty, která urychluje expanzi vesmíru.

Účinky temné energie ve vesmíru

Podle tvaru signálu, tj. podle toho, jak se frekvence a amplituda vln zvyšuje a klesá, lze rozpoznat velikosti černých děr a určit, jak mohutná byla událost u jejího zdroje. Porovnáním skutečné síly a slabých vibrací detekovaných zařízeními LIGO lze určit, kdy se událost mohla stát. Díky kombinaci s jinými pozorováními využívajícími standardní teleskopy se lze dopátrat, jak vesmír expandoval v době, než nás gravitační vlny zasáhly. Díky tomu lze měřit účinky temné energie ve vesmíru. Tato měření by měla být spolehlivější než cokoliv dnes používaného, přičemž zaznamenání několika fúzí černých děr by mohlo všechno změnit. A pokud by se jich podařilo zachytit několik desítek, mohlo by vzniknout celé nové odvětví kosmologie.

Gravitace ovlivňuje veškerou hmotu stejným způsobem

S pomocí využití detekce gravitačních vln bude možno ověřit Einsteinovu obecnou teorii relativity ještě přísnějšími testy. Týká se to například principu ekvivalence, jež předpokládá, že gravitace ovlivňuje veškerou hmotu stejným způsobem. Podle Xue-Feng Wu z čínské Purple Mountain Observatory, Nanjing, je to velmi důležité v době, kdy je již k dispozici GPS a uskutečňují se lety do vesmíru, kdy byť jen sekundové odchylky od předpokládané gravitační teorie mohou mít velké následky. Erminia Calabrese, astronomka z University v Oxfordu, vidí v gravitačních vlnách způsob, jak ověřit, zda se gravitace chová tak, jak by se podle teorie relativity chovat měla v případě velkých vzdáleností. Pokud by síla gravitačních vln klesala se vzdáleností překvapujícím způsobem, bude to možné detekovat Pomocí dat z LIGO by bylo  možné detekovat i případné nesrovnalosti s poklesem gravitace na delší vzdálenosti, což by bylo překvapivé.

Více typů detektorů

Úspěch observatoře LIGO znamená explozi v oblasti detekce gravitačních vln. Indie se například snaží získat třetí detektor LIGO a na scéně se objevují i další typy detektorů. Když se dnes už ví, že gravitační vlny existují, bude mnohem snazší přesvědčit investory, aby vynaložili peníze a vyvinuli nejrůznější detektory gravitačních vln. Například European Space Agency připravuje testy pro velký kosmický detektor eLISA, což je Evolved Laser Interferometer Antenna. Experiment LISA Pathfinder se již nachází na oběžné dráze a v březnu 2016 budou zahájeny testy. Americká NASA se v roce 2011 stáhla z tohoto projektu, ale nyní byl vytvořen výbor, jehož cílem je opět se do projektu vrátit.

Cesta k ranému věku vesmíru po velkém třesku

V nejbližší budoucnosti by mohly být k dispozici citlivější detektory gravitačních vln, které budou pracovat s kratšími vlnovými délkami, než je tomu u zařízení LIGO. Tyto detektory by umožnily přiblížit se až ke gravitačním vlnám z velmi raného věku vesmíru krátce po velkém třesku. Na rozdíl od protonů a elektromagnetického záření se gravitační vlny mohly pohybovat volně v nově vznikajícím vesmíru. V současné době lze dohlédnout až do doby kolem 380 000 let po velkém třesku, kdy se vesmír stal průhledným pro světlo.

Gravitační vlny mohou dokonce naznačit i cestu k ambiciózní jednotné teorii vesmíru. Tato teorie předpokládá, že v určitém bodě vývoje vesmíru byly všechny čtyři základní síly spojeny v jedinou. V souvislosti s rozšiřováním a ochlazováním vesmíru se jednotlivé síly navzájem oddělovaly v důsledku nám dosud neznámých událostí, které nejsou ani dnes plně pochopeny. Podle Stojkovice by observatoře gravitačních vln, které mohou detekovat mnohem kratší vlnové délky, mohly tyto události objasnit.

Fyzici řeší ještě jednu záhadu: jedná se o slabé záblesky gama paprsků, jež mohou mít vztah k signálům zachycovaným LIGO. Nikdo zatím nepředpokládal, že při fúzi černých děr budou uvolňovány paprsky gama. Daniel Holz z University of Chicago uvádí, že tato záhada je pouze jednou z mnoha, protože při otevírání oken do vesmíru se vyskytne celá řada dalších neočekávaných věcí.

(Joshua Sokol, Lisa Grossman and Jacob Aron: Surfing gravity´s waves. New Scientist, 2016, č. 3016, s. 8–9)