K čemu je nám objev gravitačních vln? Složitý problém vysvětlený jednoduše!

Znáte to pořekadlo ‘dejte jim prst a sežerou vám celou ruku’? Padne to na většinu astrofyziků. Člověk by si myslel, že detekcí gravitačních vln skončil hon za přímými důkazy obecné teorie relativity, ale kdeže, Pokud jde detekovat tohle, musí jít i něco víc – pamět gravitace.

Pokud jste v únoru nebyli v zimní hibernaci, museli jste slyšet o fantastické přímé detekci gravitačních vln. A pokud jste náhodou hybernovali, tak zařízení advanced Laser interferometer Gravitational-wave observarory (aLIGO) detekovalo v září minulého roku poprvé přímo gravitační vlny, a to v binárním systému dnes známém jako GW150914. Výsledky byly oznámeny 11. února tohoto roku. Od té doby se odehrává doslovná renesance astrofyziky gravitačních vln, kdy se každý s alespoň trochu příbuzným výzkumem snaží naskočit na vlnu popularity. Díky tomu bylo k tomuto tématu publikováno nepřeberné množství článků. Jeden z nich je vcelku výjimečný, zajímá se totiž tím, jestli můžeme detekovat takzvanou paměť gravitační vlny.

aLIGO, detektor, který poprvé přímo detekoval gravitační vlny. Zdroj: Caltech/MIT/LIGO Lab

O čem že je řeč? Můžete si to představit nějak takhle: gravitační vlna sama o sobě je smrštění a natažení prostoru, a tedy změna vzdálenosti mezi dvěma objekty. To, jak moc se tohle natahování a smrskávání děje, popisuje jednotka s názvem ‘strain’ (česky by se dala přeložit jako ‘napětí’). Takže strain popisuje změnu vzdálenosti mezi dvěma body, dělenou vzdáleností, které by ony dva body měly, pokud by je nic nerušilo. Takže abyste získali co největší změnu, potřebujete dva objekty daleko od sebe a velký strain. Hlavním efektem detekovaným u GW150914 bylo periodické smršťování a natahování prostoru díky přibližování se dvou kolem sebe obíhajících černých děr po spirále a jejich následné srážce. Signál z takové události připomíná třeba ustálení kmitů hračky na pružině. Jenže teď si představte, že ta pružina není dokonalá a s natáhnutím jsme ji poškodili a nevrátí se do původního úplně smrsklého stavu, ale bude tak trochu natáhnutá. Vznikla permanentní deformace mezi dvěma body. A to je to, co nazýváme pamětí gravitačních vln.

Simulace srážky dvou černých děr, generující gravitační vlny. Zdroj: MPI for Gravitational Physics / Werner Benger / ZIB / Louisiana State University.

Co všechno byste mohli chtít vědět o paměti gravitačních vln? Paměť nám monotónně zvyšuje nebo naopak snižuje strain v průběhu srážky dvou objektů. Je asi o řád slabší než strain srážky. Stejně jako strain, se hodnota paměti zvětšuje s hmotou, která vstupuje do srážky dvou těles. Jak moc budeme paměť detekovat závisí na tom, v jakém úhlu je oběžná dráha tělesa vůči detektoru na Zemi (takzvaná inklinace). Abychom vůbec byli schopni změřit paměť (jestil se jedná o permanentní protažení prostoru, nebo smršťení), musíme být schopni velmi přesně změřit polarizaci gravitační vlny (u vln elektromagnetických čili u světla to zvládneme hravě).

Jak vypadá paměť? Jako oscilace, které se nakonec netrefí do klidové polohy, jako je zobrazeno v pravé části grafu. Autor: Lasky et al.

Jak již bylo řečeno, jedná se o efekt o řád slabší než gravitační vlny, takže detekovat něco takového bude dost těžké. Mohli bychom se inspirovat u astronomie, která využívá prachobyčejné fotony. Když dost dlouho čekáte, na detektor jich nakonec dopadne dost. Jenže když si takhle detekujete smrštění a podruhé natažení prostoru, může se vám jednoduše stát, že se efekty vyruší.

Jsou přístoje jako aLIGO schopné něco takového detekovat? Pro jednu událost, jako GW150914 je to prakticky nemožné. Poměr signálu k šumu je v tomto případě 0.42 a to je dost málo. Pro detekci paměti bychom potřebovali alespoň 3. Vědci přišli s nápadem, že by šlo sčítat součet detekcí, ale jen v případě, že známe polarizační úhel vlny a tedy znamínko změny (smrštění nebo natažení). Podle posledních propočtů by stačilo změřit 35 zdrojů gravitačních vln a měly by se objevit výsledky. Kadence událostí, které generují pro nás detekovatelné gravitační vlny, je podle posledních odhadů 16 dní. Takže dejme tomu rok a půl, trochu štěstí a budeme schopni detekovat nové veličiny spojené s gravitací. To nezní zle, ne?

Jana Poledniková