Proč je objev gravitačních vln tak zásadní přelom? Vysvětlení, které pochopí každý!

Všemi světovými médii před pár dny proběhla fantastická zpráva – detekovali jsme gravitační vlny, Einstein měl pravdu! Co to všechno vlastně znamená?

V roce 1916 Albert Einstein formuloval obecnou teorii relativity nebo též teorii gravitace. Zjednodušeně lze říct, že popsal gravitaci jako geometrickou vlastnost času a prostoru. Zformuloval také implikace zakřivení časoprostoru v přítomnosti hmotných těles. Obecná teorie relativity měla mnoho na svou dobu exotických implikací, jakými je třeba existence černých děr, gravitační červený posuv nebo dilatace času. Jedním z řešení rovnic obecné relativity je i existence gravitačních vln.

Od Alberta po LIGO...

Tradičním problémem efektů obecné teorie relativity je jejich obecně složitá detekce. Einstein provedl pouze myšlenkové experiemnty, o detektorech jako LIGO jsme si mohli nechat jenom zdát. První roky po publikaci byla teorie relativity vnímána spíš jako kuriozita. Situace se změnila v roce 1919 kdy Sir Arthur Eddington podnikl expedici za zatměním Slunce a zjistil, že světlo z hvězd (normálně skrytých našemu zraku kvůli Slunci) je skutečně vlivem přítomnosti Slunce o něco posunuté. Najednou byla relativita zajímavá pro celou vědeckou komunitu. V případě gravitačních vln je to horší, kontrakce časoprostoru jsou prakticky neměřitelné. Sám Einstein nepředpokládál, že by jev byl někdy detekován. Koneckonců detekovaná kontrakce prostoru je tisícina jádra atomu!

Vzhledem k ucelenosti obecné teorie relativity nebylo otázkou, zda gravitační vlny existují, ale jak je detekovat. Většinou je třeba dívat se na extrémně těžké objekty, které mají velký vliv na časoprostor. Jedním z nich je kupříkladu binární pulsar známý jako Hulse-Taylor systém. Jedná se o dva okolo sebe obíhající pulsary, těžké a zároveň malé hvězdy v pozdním stadiu vývoje. Pánové Hulse a Taylor spočítali, jak se jejich oběžná dráha zmenšuje za uvolňování energie, která má být uvolněna ve formě gravitačních vln. V roce 1993 byla udělena Nobelova cena právě za nepřímou detekci gravitačních vln na binárním pulzaru.

Hulse-Taylor systém binárních pulzarů, na kterých byly poprvé nepřímo detekovány gravitační vlny. Umělcova představa. Zdroj Wikimedia.

Přímá detekce, to je věc jiná. Detektory jako je LIGO (a třeba budoucí evropský VIRGO) jsou extrémně citlivé na jakékoliv záchvěvy. Mezi pracovníky LIGO v Lousianě se tradovalo, že gravitační vlny chytat neumí, ale ví, kdy jejich silnější kolega jde do lednice pro sendvič, protože se otřásala podlaha a LIGO to detekovalo. Právě proto je třeba mít detektorů víc. LIGO má jeden v Louisianě a druhý ve státě Washington. Pokus zachytí stejný signál s minimálním časovým zpožděním, je to bingo. Tedy skoro. Signál musí svým profilem ještě sedět na profil signálu gravitačních vln. Přísloví hledat jehlu v kupce sena by se snadno mohlo přetransformovat na hledání gravitační vlny v signálu LIGO. V případě binární černé díry GW150914 jsme si na 99,99 % jistí, že o gravitační vlny jde.

Obrázek, který vejde do dějin. Horní panely zobrazují detekovaný signál z Louisiany a Washingtonu. Druhý řádek ukazuje v šedé barvě predikci teorie relativity. Jednotky jsou strains – měřící deformace jako relativní posuny částic vůči sobě. Třetí řádek jsou rezidua, čili ‘odchylky’ a poslední je vývoj frekvence v čase. Zdroj: LIGO collaboration.

Krom toho, že se jedná o první systém, kde jsme detekovali gravitační vlny, jedná se o první detekci černých děr středních hmotností. Dosud jsme se setkávali se stelárními černými děrami a supermasivními černými děrami. Nic uprostřed se nám nedařilo najít. LIGO nám otevírá nové okno do vesmíru. Od první detekce v září minulého roku se vědeckému týmu podařilo detekovat i další zdroj, LVT151012. Ten sice nemá tak silný signál, ale pravděpodobně je též astrofyzikálního původu. A to je jenom začátek.

Statistickými metodami určená pozice zdroje GW150914. Předpokládáme, že zdroj by se měl nacházet někde ve směru Velkého Megallanova mračna (ne nutně v něm). Zdroj LIGO collaboration.

Gravitační vlny nám dávají nový smysl. Představte si, že jste celý život jenom viděli, ale neslyšeli a jednoho dne začnete slyšet. Přesně to je význam detekce gravitačních vln pro astrofyziku. U rotujících černých děr to začne a s lepšími a lepšími detektory detektory budeme schopni hledat exotičtější objekty. Jedním z očekávání studia gravitačních vln je objasnění kvantových fluktuací v počátcích vesmíru. A snad i dosažení svatého grálu fyziky, sjednocení kvantové teorie a relativity.

Jana Poledniková