gravitační vlny

Historie gravitačních vln

Gravitační vlny jsou jedním z nejpozoruhodnějších fyzikálních objevů posledních desetiletí. Tyto drobné poruchy v samotné struktuře časoprostoru byly teoreticky předpovězeny již v roce 1916 Albertem Einsteinem v rámci obecné teorie relativity. Dlouho však zůstávaly pouze hypotetickým jevem, protože jejich detekce vyžaduje mimořádně přesná zařízení a důkladnou analýzu extrémně slabých signálů.

První pokusy o detekci gravitačních vln proběhly už v 60. letech 20. století. Americký fyzik Joseph Weber tehdy zkonstruoval rezonanční hliníkové válce, které měly zachytit drobné deformace časoprostoru způsobené průchodem gravitačních vln. Tato metoda ale nebyla dostatečně citlivá. Z dnešního pohledu chybělo přibližně pět řádů přesnosti a z jediné zaznamenané frekvence nebylo možné určit původ vlnění.

Skutečný průlom nastal v 70. letech, kdy byly gravitační vlny poprvé detekovány nepřímo. Stalo se tak díky pozorování dvojice neutronových hvězd v souhvězdí Orla, z nichž jedna byla pulzar – extrémně přesný kosmický „maják“. Tento objev učinili američtí radioastronomové Russell Alan Hulse a Joseph Taylor. Obě hvězdy v tomto systému obíhají velmi blízko sebe. Jejich nejmenší vzdálenost při oběhu činí přibližně 700 000 kilometrů, což odpovídá poloměru Slunce. Klíčovým zjištěním bylo, že se jejich oběžná doba postupně zkracuje, což ukazuje na ztrátu energie ve formě gravitačního vlnění. Při každém oběhu se vzdálenost mezi hvězdami zmenší asi o 3 milimetry. Podle výpočtů dojde za zhruba 400 milionů let ke splynutí těchto dvou neutronových hvězd. Tento proces bude provázen obrovským výronem gravitačních vln.

První přímý důkaz o existenci gravitačních vln přišel až v roce 2015 díky pokročilým experimentům v observatoři LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Vědcům se podařilo zachytit signál označovaný jako GW150914, který vznikl při srážce dvou černých děr. Tento objev potvrdil nejen existenci gravitačních vln, ale i to, že vesmír „zvoní“, když se v něm odehrávají dramatické události s extrémními hmotnostmi.

Data z události GW150914

(zdroj obrázku: https://gwpy.github.io/docs/stable/examples/signal/gw150914/)

Jak gravitační vlny vznikají

Aby nějaký objekt skutečně vysílal gravitační vlny, nestačí, aby byl pouze hmotný a v pohybu. Gravitační vlnění vzniká tehdy, když se hmota pohybuje nerovnoměrně a narušuje rovnováhu v časoprostoru. Pokud má objekt dokonale kulový tvar nebo se pohybuje symetricky, jako například osamocená rotující hvězda, žádné gravitační vlny nevznikají.

Mezi nejvýznamnější zdroje gravitačních vln proto patří dvojice kompaktních objektů, jako jsou černé díry nebo neutronové hvězdy. Když tyto objekty obíhají těsně kolem sebe, jejich pohyb se postupně zrychluje a oběžná dráha se stáčí do spirály. Před jejich splynutím vzniká silné gravitační vlnění, které se šíří vesmírem jako zvlnění samotného časoprostoru.

Dalším možným zdrojem je výbuch supernovy, tedy kolaps masivní hvězdy. Pokud při této explozi dojde k nerovnoměrnému rozložení hmoty, může i takový proces vyslat gravitační vlny.

Vlnění se od místa srážky šíří rychlostí světla všemi směry a nese s sebou informaci o tom, co se stalo, kde a kdy.

Na rozdíl od světla gravitační vlny nejsou blokovány prachem, plynem nebo jinými překážkami. Mohou projít i oblastmi, které by byly pro klasické dalekohledy zcela neviditelné. Díky tomu nám poskytují zcela nový způsob pozorování vesmíru, často označovaný jako „poslouchání vesmíru“ místo jeho sledování.

Jak detekujeme gravitační vlny

Gravitační vlny jsou mimořádně slabé. Jejich detekce vyžaduje měřit změny délky menší než jedna tisícina průměru protonu. K tomu slouží zařízení nazývaná laserové interferometry. Princip je jednoduchý, ale technicky náročný. Dlouhé ramena (několik kilometrů) tvoří optickou dráhu pro laserový paprsek. Pokud k detektoru dorazí gravitační vlna, prostor se na chvíli nepatrně natáhne nebo smrští, což se projeví jako drobná změna v délce těchto ramen.

Nejznámějšími detektory jsou LIGO (USA), Virgo (Evropa) a KAGRA (Japonsko). Do budoucna se chystá i vesmírný detektor LISA, který by měl být ještě citlivější a schopný sledovat i nižší frekvence gravitačního vlnění.

Data z události GW150914

(zdroj obrázku: vajiramanravi.com)

Důležité objevy a milníky

Mezi nejvýznamnější události v historii gravitační astronomie patří:

• GW150914 (2015) – první zaznamenaná srážka dvou černých děr.
• GW170817 (2017) – srážka dvou neutronových hvězd. Poprvé byla kromě gravitačních vln pozorována i doprovodná elektromagnetická záření (gamma záblesk, viditelné světlo, rentgenové záření atd.).

Tyto objevy ukazují, že gravitační vlny jsou novým typem „astrofyzického smyslu“, díky kterému můžeme zkoumat události, které byly dosud mimo náš dosah.

Význam pro moderní vědu

Gravitační vlny umožňují studovat objekty a procesy, které nelze pozorovat jinak – například černé díry, které nemají akreční disk, nebo dávné fáze vývoje vesmíru. Pomáhají zkoumat hmotnosti a spiny černých děr, testovat platnost obecné relativity a hledat nové fyzikální zákonitosti. Vědci doufají, že právě gravitační astronomie jednoho dne přinese odpovědi na některé z nejhlubších otázek o podstatě času, prostoru a gravitace.

Kam dál?

Pokud tě téma gravitačních vln zaujalo, můžeš se podívat na tyto zdroje:

• LIGO – oficiální stránka projektu
• Virgo – evropská observatoř
• ESA/LISA – připravovaná vesmírná mise