Splynutí černých děr a gravitační vlny

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
Snad všechna zpravodajská média nedávno přinesla příběh největšího astrofyzikálního překvapení poslední doby. Objevu gravitačních vln, které se vědci snažili ulovit celá desetiletí a stále se jim to nedařilo.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
První informace o jejich skutečné detekci prosákla na veřejnost už v loňském roce. Vzápětí však byla odvolána s tím, že šlo jen o test. Teprve letos v únoru bylo na speciální tiskové konferenci jasně řečeno: máme je.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
Došlo k tomu 100 let po zveřejnění teorie, která existenci gravitačních vln předpovídala, a jejímž autorem byl Albert Einstein. Nešlo pochopitelně o nic menšího než o obecnou teorii relativity.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
Detekce gravitačních vln by mohla v budoucnu vědcům otevřít dveře do dalších z tajných komnat vesmíru, možná až k samotnému Velkému třesku. Hezký poslech Planetária i nadále přejí Frederik Velinský.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
A Veronika Kindlová.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
Už jsme se zmínili, že gravitační vlny souvisí s teorií obecné relativity, kterou Albert Einstein představil odborné veřejnosti v listopadu roku 1915 sérií přednášek před pruskou akademií věd.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
Jak nám řekl astrofyzik Petr Kulhánek z Katedry fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze, je to teorie vskutku revoluční. Gravitaci totiž pojímá ne jako sílu, ale jako zakřivení času a prostoru.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik, Katedra fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze:
Ta její myšlenka je velmi jednoduchá. Každé těleso svou přítomností zakřiví čas a prostor kolem sebe. A v tomto pokřiveném světě se tělesa pohybují po nejrovnějších možných drahách. Albert Einstein ale už od počátku uvažoval, že by některá tělesa svým pohybem mohla prostor a čas kolem sebe zakřivovat periodicky, zakřivovat ho tak, jako když hodíte kámen do rybníka, vytvoří se takové ty známé kruhy, že by podobně se mohl rozvlnil i čas a prostor. Ono to není úplně podobné, protože ty vlny na rybníku jsou vlny materiálního prostředí, tam se vlní třeba voda. Ale vlny gravitační, to jsou skutečně vlny času a prostoru, rozruchy, jemné záhyby, které se šíří prostorem a které může vytvořit třeba dvojice hvězd, které kolem sebe obíhají nebo nějaký velmi nesymetrický objekt. Gravitační vlnu nikdy nevytvoří kulička nebo rotující elipsoid, musí to být složitější těleso. Nicméně podle teorie by takové gravitační vlny měly vznikat od dvojhvězd, od nesymetrických explozí supernov, od kolapsů hvězd a mnoha dalších a dalších fyzikálních jevů. Na počátku byla obecná relativita přijímána s velikou rezervou a většina vědců si myslela, že jde o jakousi kuriozitu, která velmi rychle zanikne. Nicméně už první experimenty třeba z roku 1919 při zatmění Slunce se ukázalo, že paprsky vzdálených hvězd se skutečně ohýbají v blízkosti slunečního kotouče díky zakřivení prostoru kolem našeho Slunce a postupně si obecná relativita razila cestu tím, jak předpovídala další a další jevy, které nebyly známé z Newtonovy teorie a které se postupně verifikovaly. Ať to byly černé díry, expanze vesmíru. Nicméně gravitační vlny, pokusy o její detekci začínají až v 60. letech a je to Joseph Weber, který se pokoušel gravitační vlny zachytit rezonančními válci. To byly válce vyrobené z hliníku, každý měl zhruba 1,5 tuny, byl dlouhý asi 1,5 metru, na průměr měl zhruba 70 centimetrů, rezonanční frekvence byla někde kolem 1600 hertzů, což je přesně ta frekvence, na které by k nám měly přicházet gravitační vlny z blízkých dvojhvězd. A Weber si představoval, že podobně jako když na ten válec udeří kladívkem a on se rozkmitá, že by se mohl rozkmitat pod gravitační vlnou, která přichází od nějakého blízkého zdroje. Bohužel z dnešního pohledu ty Weberovy válce byly velmi, velmi málo citlivé a neměly šanci na to gravitační vlny zachytit.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
K první skutečné detekci gravitačních vln došlo v září roku 2015 v americké gravitační observatoři LIGO. Nedlouho po spouštění její vylepšené verze. Objev gravitačních vln byl po několikaměsíčním zkoumání oznámen 11. února 2016.

Veronika KINDLOVÁ, moderátorka:
Podle vědců vznikl zachycený impuls splynutím dvou velmi vzdálených masivních černých děr. Astrofyzika Petra Kulhánka jsme se ptali, na jakém principu observatoř, kde k objevu gravitačních vln došlo, vlastně pracuje a jak je zachytila?

Petr KULHÁNEK, astrofyzik, Katedra fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze:
Ten přístroj se nazývá LIGO, je to zkratka z Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Je to obří gravitační observatoř ve Spojených státech, má dvě části. Jedna je v Hanfordu, druhá v Livingstonu. Ty dvě části jsou od sebe vzdáleny přes 3 tisíce kilometrů. Je to záměrně, protože když se chytí gravitační vlna v jednom místě, a je to opravdu gravitační vlna, tak by se stejným způsobem mělo rozkmitat to druhé zařízení, které je vzdálené několik tisíc kilometrů. Každé z těch zařízení je vlastně jednoduchý interferometr, který je krmený laserem. Ten laserový paprsek je rozdělený do dvou nezávislých ramen. Na konci těch ramen jsou zavěšena zrcadla, jejich průměr je zhruba 30 centimetrů, hmotnost v současnosti asi 40 kilogramů a pokud přichází gravitační vlna, tak by se ta zrcadla na koncích ramen interferometru měla trošičku rozhýbat. A to se v tom laserovém svazku pozná, protože laserový paprsek odražený od obou dvou zrcadel přichází do stejného místa, do detektoru, kde spolu obě dvě interferují a projeví se to na interferenčním obrazci, kde se pozná, že se ta zrcadla zhoupla. Samozřejmě aby gravitační vlna byla detektována, tak ta ramena musí být co nejdelší, aby zrcadla od sebe byla co nejdál. Gravitační vlna, to je takový trošku prevít, protože jestliže se na ní houpají tělesa, tak se houpají i se svým okolím. A abychom odlišili vlastně to pohupování, tak musíme mít relativně velikou základnu. A tady ta ramena jsou dlouhá u LIGA 4 kilometry, co zrcadla na koncích těchto kolmých ramen jsou vzdálena necelých 6 kilometrů. A i to je dosti málo, potřebovali bychom větší interferometry, protože ten gravitační impuls, který sem přišel v okamžiku sloučení těch dvou černých děr, byl frekvencí asi na necelých 500 hertzích, což znamená, že vlnová délka té gravitační vlny byla kolem 600 kilometrů a tady se podařilo vlastně vlnovou délku 600 kilometrů zachytit na zrcadlech, která byla vzdálena necelých 6 kilometrů, což je takový malý technický zázrak, který je dán tím, že nejde o jednoduchý odraz laserového paprsku od toho zrcadla. Tam ve skutečnosti jsou takové technické vychytávky jako rezonanční dutina, že ten paprsek se mnohonásobně odráží od toho koncového zrcadla a tím vlastně my známe jeho polohu jako průměrnou hodnotu z mnoha a mnoha odrazů. Tím se umožnilo určit přesnost polohy toho zrcadla na 10 na mínus 18. metru, což je neuvěřitelné číslo. Když si uvědomíme, že atom jako takový má velikost nějakých 10 na mínus 10., 10 na mínus 11. metru, že atomové jádro je 10 na mínus 14. metru a proton nebo neutron jsou veliké 10 na mínus 15. metru, tak tady jsme na tisícině velikosti protonu, ale není to jedno jednotlivé měření, že bychom takovouto vzdálenost změřili. Je to statisticky zprůměrovaná hodnota, ale díky těmto trikům se skutečně podařilo na těch zrcadlech nalézt velmi jemné pohupování, které způsobil příchod gravitačního impulsu.

Frederik VELINSKÝ, moderátor:
Splynutí černých děr trvalo podle astrofyzika Petra Kulhánka sotva půl sekundy. Došlo k němu skutečně velmi daleko a gravitační impuls, který při tom vznikl, jsme zachytili jen šťastnou náhodou.

Petr KULHÁNEK, astrofyzik, Katedra fyziky Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze:
Bylo ze vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků. Když si uvědomíme, že vesmír je starý 14 miliard let, tak je to z desetiny vzdálenosti pozorovatelného vesmíru. A ten impuls byl mimořádně silný. Šlo o splynutí dvou černých děr. Jedna z nich měla hmotnost zhruba 29 hmotností Slunce, druhá přibližně 36 hmotností Slunce. A při tom splynutí těchto dvou černých děr se vyzářila energie odpovídající zhruba třem slunečním hmotnostem. Tento obrovský energetický balík rozhýbal čas a prostor kolem těch zbývajících objektů. Bylo to závislé na náhodě. My nevíme, jak často takový jev může nastat, jestli třeba budeme podobný jev pozorovat jednou za rok, jednou za 10, jednou za století, protože z jednoho jediného zachyceného impulsu se nedá udělat žádná statistika. Nicméně ten objev je významný hned ze dvou důvodů. Ten první důvod je, že to bylo první pozorované splynutí dvou černých děr, takže se ověřilo, že ta hypotéza, že by černé díry kolem sebe mohly obíhat a splynout, je správná. No, a druhý fakt je nepochybně ten, že poprvé jsme zachytili gravitační vlny a otvírá se nám zcela nové okno do vesmíru, že můžeme vesmír pozorovat v gravitační vlnách a můžeme pozorovat i takové úkazy, které nejsou viditelné v elektromagnetickém spektru, jako jsou třeba gravitační vlny, které jsou z těch prvních fází vzniku vesmíru. Tam je látka v plazmatickém skupenství, kterou elektromagnetický signál neprochází a my nemůžeme žádným způsobem se podívat do té kuchyně velkého třesku pomocí elektromagnetického signálu, ale pomocí gravitačních vln by takovéto experimenty měly být možné. A my bychom v budoucnosti měli být schopni díky gravitačním vlnám vidět i tomu úplnému počátku vesmíru.