“Ladies and gentlemen, we … detected gravitational waves, we did it! ”. (Dámy a páni, … detekovali sme gravitačné vlny, dokázali sme to.)
Takto začal tlačovú konferenciu riaditeľ detektoru LIGO David Reitze (Caltech).
Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) je sústava dvoch detektorov v Spojených štátoch určených na priamu detekciu gravitačných vĺn, pričom jeden sa nachádza v štáte Washington a druhý v Louisiane. História tohto projektu sa začala písať pred 40 rokmi a viažu sa k nej mená vedcov ako Kip Thorne, či Rainer Weiss. Práve vo štvrtok 11. februára, 100 rokov od prvého článku Alberta Einsteina o gravitačných vlnách a takmer po 40 rokoch fungovania projektu LIGO, bol na tlačovej konferencii podaný dôkaz priamej detekcie gravitačných vĺn.
Je potrebné si uvedomiť, že toto je rozhodne najväčší objav desaťročia a možno aj storočia, ktorý skutočne otvára nové okno k pozorovaniu vesmíru a pre mnohých z nás je to doteraz najväčší fyzikálny objav, aký sme počas svojho života zažili. Áno gravitačné vlny boli predpovedané, ale dokonca sám Einstein si myslel, že kvôli extrémnej problematike ich detekcie, nebudú nikdy detekované. Mýlil sa.
Čo to gravitačné vlny vlastne sú a ako to, že ich je také zložité detekovať?
Každé hmotné teleso zakryvuje časopriestor. Predstavte si to ako plastický štvorčekovaný papier, keď do neho položíte hmotnú guľu, tak sa v tom mieste preliači. Presne tak sa chová časopriestor a hmotné objekty v ňom. V prípade, že sa taký hmotný objekt pohybuje so zrýchlením, rozvlní časopriestor. V prípade, že sa napríklad dva veľmi hmotné a kompaktné objekty zrazia, rozvlnia časopriestor poriadne veľkými gravitačnými vlnami, a to je presne to, čo LIGO pozorovalo. Splynutie dvoch čiernych dier, jedna o hmotnosti 35 a druhá 11 hmotností nášho Slnka. Toto splynutie trvajúce zlomok sekundy bol tak energetický dej, že na tú veľmi krátku dobu “vydal” 50-krát viac energie ako všetky hviezdy vo vesmíre dokopy. Pričom len v podobe gravitačných vĺn sa vyžiarila energia troch Sĺnk. (Čiže rovnaké množstvo energie ako keby anihilovala hviezda o hmotnosti troch Sĺnk.)
Samotná detekcia sa uskutočnila už v septembri 2014 a vedecký tím zložený z viac ako 1 000 ľudí potreboval viac ako rok na preskúmanie a overenie či ide naozaj o to, v čo všetci dúfali.
Experiment LIGO
Gravitačné vlny stlačia priestor v jednom smere a roztiahnú v kolmom smere. Práve tento prejav gravitačných vĺn využíva experiment LIGO. Používa laserový zväzok s definovanou vlnovou dĺžkou a fázou. Tento laserový lúč rozdelí polopriepustné zrkadlo na dve časti. Jedna časť putuje pôvodným smerom a druhá kolmým.
Tunely s veľmi vysokým vákuom a dĺžkou 4 km sú na seba kolmé a na konci majú zrkadlo. To odrazí svetlo späť a lúče sa opäť spoja v polopriepustnom zrkadle, kde dochádza k interferencii. Ak svetlo prejde presne rovnakú vzdialenosť v oboch tuneloch, tak dorazí na polopriepustné zrkadlo v protifáze, čím sa vyruší a na detekčnú fotodiódu potom svetlo nedopadne. Pri nepatrnej zmene vzdialenosti sa táto interferencia naruší a tým sa zmení intenzita žiarenia, ktoré dopadne na detektor.
LIGO je najpresnejší merací prístroj vyrobený človekom a na to, aký je presný, stačí jednoduchá ilustrácia. Jeho presnosť je taká, že v podstate dokáže odmerať zmenu vzdialenosti od nás k najbližšej hviezde o veľkosti šírky ľudského vlasu. V skutočnosti však meria veľmi presne relatívnu zmenu vzdialenosti v dvoch 4 km dlhých na seba kolmých ramenách. Túto zmenu vie merať s presnosťou jednej tisíciny priemeru protónu, neuveriteľných 10E-21m.
LIGO tvoria dve identické observatóriá. Jedno sa nachádza v Livingstone, druhé neďaleko Hanfordu vo Washingtone. Delí ich vzdialenosť 3 000 km, čo nám pri rýchlosti svetla dáva časový rozdiel cca. 10 milisekúnd. Práve sústava týchto dvoch observatorií zabezpečila odfiltrovanie vibrácií, ktoré vznikajú množstvom pozemských javov. Spoločné pozorovanie týchto dvoch observatorií umožnilo lepšie odfiltrovať šum a určiť smer, z ktorého gravitačné vlny pochádzajú. Pri tejto detekcii bol rozdiel príchodu signálu 7,1 ms, čím vedci určili zdroj gravitačných vĺn niekde na južnej oblohe.
Poďme sa pozrieť na časový priebeh signálu, ktorý LIGO detekoval počas splynutia dvoch čiernych dier. Frekvencia signálu rapídne rástla z cca. 35 Hz na 250 Hz, čo súviselo so zvyšovaním rotácie týchto dvoch čiernych dier počas kolapsu. Amplitúda signálu takisto narastala a potom prudko klesla, čo súviselo so zmenou veľkosti gravitácie v čase, teda táto zmena bola najväčšia v čase, keď čierne diery splynuli.
Tento časový priebeh sa vedci pokúsili interpretovať aj v akustickej oblasti, a tak si môžete tento kolaps dvoch čiernych dier aj vypočuť 🙂
Aj keď sa detekcia gravitačných vĺn očakávala, je to neuveriteľný objav, ktorý okrem toho, že nepochybne prinesie zainteresovaným Nobelovu cenu za fyziku, spôsobí ešte oveľa viac. Otvára nám totiž úplne nové okno do vesmíru, okno k pozorovaniu a objavovaniu tých najextrémnejších javov aké si vieme predstaviť (a niektoré si ešte ani nevieme predstaviť, lebo sme ich ešte ani neobjavili). Sú nimi napríklad kolidujúce čierne diery, zrážajúce sa neutrónové hviezdy, deje krátko po kolapse jadra supernovy či štúdium makroskopických štruktúr vo vesmíre. Kozmologické dopady dnešného objavu sú ohromné a celému tímu projektu LIGO patri obrovský obdiv.
Autori článku: Mgr. Matúš Kocka a Ing. Ondrej Závodský