Gravitačné vlny sú zakrivenia v priestoročase spôsobené najsilnejšími katastrofickými udalosťami vo vesmíre. Albert Einstein ich predpovedal vo svojej všeobecnej teórii relativity už v roku 1916. Einsteinová teória predpovedala, že ak dochádza k zrýchľovaniu pohybu obrovských objektov, ako sú napríklad čierne diery či neutrónové hviezdy, spôsobí narušenie časopriestoru čo bude viesť k vyžiareniu vĺn, ktoré sa prejavia deformáciou priestoru.
Tieto deformácie sa podľa teórie relativity šíria vo vesmíre rýchlosťou svetla, pričom nesú so sebou informáciu o kataklyzmickej udalosti, v ktorej boli generované. Popri tom, samozrejme, sú zdrojom neoceniteľnej informácie o gravitácii samotnej.
Podľa predpovedí najintenzívnejšie gravitačné vlny sú produkované pri zrážkach čiernych dier, pri kolapsoch jadier obrovských hviezd (supernovae), pri splynutí neutrónových hviezd alebo bielych trpaslíkov, pri premennej rotácii hviezd, ktoré nie sú perfektne sférické a nakoniec z pozostatkov gravitačnej radiácie uvoľnenej v procese vzniku vesmíru. LIGO interferometer registroval gravitačné vlny práve pomocou prvého procesu, t. j. zrážky dvoch čiernych dier.
Historicky existencia gravitačných vĺn bola nepriamo dokázaná v roku 1974. Nepriamy dôkaz je založený na pozorovaní binárneho pulsaru, čo je sústava dvoch extrémne veľkých hviezd s veľkou hustotou hmoty, ktoré obiehajú okolo seba. Takýto systém by mal podľa všeobecnej teórie relativity vyžarovať gravitačné vlny. Astronómovia pozerali zmeny periódy obehu tohto systému a porovnávali ich s predpoveďami založenými na všeobecnej teórii relativity.
Po niekoľkých rokoch pozorovania dospeli k záveru, že predpovede teórie o perióde obehu a približovaní sa hviezd k sebe sa zhodujú s experimentálnymi pozorovaniami a keďže teória požadovala existenciu gravitačných vĺn takto nepriamo bola ich existencia dokázaná. V tomto smere bolo realizovaných niekoľko ďalších pozorovaní. Neskôr však boli budované experimenty, ktoré si chceli gravitačné vlny „ohmatať“ a k ním patrí aj experiment LIGO.
V čom je komplikovanosť takýchto experimentov? Hoci gravitačné vlny vznikajú vo veľmi energetických procesoch, ich prejavy na Zemi sú veľmi slabé (lebo sa dejú ďaleko a aj vďaka tomu ešte existujeme). Na Zemi sa prejavujú ako zmeny pohybu časopriestoru, respektíve zjednodušene ako zmeny dĺžok, no tieto zmeny sú tisícky krát menšie ako sú rozmery atómových jadier, t. j. sú pod úrovňou rozmerov súčasných elementárnych častíc. Nuž a výsledok experimentu LIGO je vlastne založený na schopnosti merať takéto malé zmeny rozmerov.
LIGO interferometer
LIGO interferometer je veľmi komplexné a komplikované zariadenie, ale jeho podstatnou fyzikálnou časťou je Michelsonov interferometer, ktorý bol skonštruovaný pred zhruba 135 rokmi. Jeho schéma je na obrázku. Oba tieto prístroje sú si podobné v tom, že:
- majú tvar písmena L
- na konci ramien majú zrkadlá, ktoré odrážajú svetlo za účelom kombinácie dvoch odrazených lúčov čo vedie k ich interferencii
- merajú intenzity svetla pre superpozícii oboch lúčov.
Rozdiel medzi klasickým Michelsonovým interferometrom a LIGO interferometrom je predovšetkým v tom, že LIGO je podstatne väčší a komplexnejší. LIGO je najväčší a najcitlivejší interferometer na svete. Dĺžka jeho ramien je 4 km. Dĺžka ramien je dôležitá preto, že čím väčšiu dĺžku svetlo vyžiarené zo zdroja P prejde, tým je väčšia citlivosť zariadenia. Keďže ramená dlhé 4 km nie sú dostačujúce na meranie rozdielu vzdialenosti prejdenej medzi zrkadlami Z1 a Z2 na úrovni 10000 krát menšej ako je rozmer protónu, museli byť urobené ďalšie úpravy v tomto základnom usporiadaní. Tento problém bol riešený dodaním tzv. Fabry Perotových rezonátorov, ktoré sú hneď za polopriepustnou doštičkou, ktorá rozdeľuje lúče do oboch ramien po celej dĺžke ramena. Ďalej sú tam hneď na začiatku rezonátora dodatočné zrkadlá, nastavené tak aby lúč bol odrážaný medzi nimi a zrkadlami na konci rezonátora 280 krát a až potom aby došlo k superpozícii s lúčom z druhého ramena.
Takéto usporiadanie má dve výhody: (1) svetlo zotrváva v inteferometry dlhšie, (2) vedie k predĺženiu dráhy, ktoré prejde svetlo v jednotlivých ramenách na 1120 km, čo opäť vedie k zvýšeniu citlivosti interferometra. Ďalší efekt, ktorý to spôsobuje, spočíva v tom, že podobne ako v optických teleskopoch zväčšenie fokálnej dĺžky, čo je ekvivalentné predĺženie dráhy, ktoré lúče prejdú v interferometri, vedie nielen k zväčšeniu rozlíšenia, ale aj k zníženiu viditeľných vibrácií. V ďalekohľade sú vibrácie neželané, no v tomto zariadení nám práve ide o ich meranie, lebo vibrácie sú spôsobené gravitačnými vlnami.
Ďalšie vylepšenia klasického interferometra sú potrebné kvôli intenzite laserového žiarenia a výkonu laseru generujúceho signály. Samozrejme, že v neposlednom rade je potrebné odseparovať vibrácie spôsobené inými príčinami ako sú gravitačné vlny (tepelné, seizmické…) Spôsob ako sa LIGO vyrovnal so zosilnením výstupného signálu a odstránením vibrácií, ho tiež robí jedinečným. (Detaily opisu týchto prístupov sú nad rámec tohto článku, možno ich však nájsť na stránkach LIGO experimentu, z ktorých čerpal aj autor článku.)
Výsledky pozorovaní sú na obrázku nižšie. Jednotlivé panely v obrázku ukazujú výsledky meraní signálu gravitačných vĺn na dvoch LIGO observatóriách v Livingstone v štáte Louisiana a v Hanforde v štáte Washington. Ako bolo oznámené, signál pochádza zo zrážky dvoch čiernych dier s hmotnosťou približne 30-násobku hmotnosti nášho Slnka vo vzdialenosti asi 1,3 miliardy svetlených rokov od nás.
V čom je význam tohto objavu?
V prvom rade objav gravitačných vĺn potvrdil správnosť predpovedí Einsteinovej všeobecnej teórie relativity. Objav otvoril novú éru astronómie založenej na gravitačných vlnách a tak k astronómii vo viditeľnej časti elektromagnetického spektra, infračervenej, x-lúčovej a pod. pribudne ďalšia. Takisto sme sa dostali do oblasti výskumu zakrivení v časopriestore a možno aj predpovede o viacrozmerných vesmíroch a paralelných vesmíroch sa nezdajú už až takou vzdialenou fikciou. V budúcnosti budeme môcť skúmať katastrofické udalosti vo vesmíre aj pomocou gravitačných vĺn a otvorí sa nám tak priestor na štúdium doposiaľ nám nedostupných objektov. Ako povedal jeden z astrofyzikov: „Týmto objavom sa naše chápanie nebies podstatne zmenilo.“
Autor: prof. RNDr. Jozef Masarik, DrSc., Fakulta matematiky, fyziky a informatiky, Univerzita Komenského v Bratislave
Foto: archív autora; fmph.uniba.sk
Ilustračné foto: www.pixabay.com
Redigovala: Marta Bartošovičová, NCP VaT pri CVTI SR
Uverejnila: ZVČ
O autorovi:
Prof. RNDr. Jozef Masarik, DrSc. – významný vedec, jadrový fyzik, študoval na Fakulte matematiky, fyziky a informatiky (FMFI) UK v Bratislave, odbor jadrová fyzika. Od roku 1983 doteraz pracuje na Katedre jadrovej fyziky a biofyziky, je dekanom FMFI UK. Zameriava sa na jadrovú a subjadrovú fyziku, ako aj ich aplikácie v oblasti geofyzikálneho a kozmického výskumu. K jeho najvýznamnejším dosiahnutým výsledkom vo vedeckej oblasti patrí vývoj programu na simuláciu interakcií kozmického žiarenia a ním vyvolaných jadrových reakcií. Z aplikačných výsledkov treba spomenúť príspevok k vývoju hafnium – wolfrámového chronometra, príspevok k objaveniu vody na Marse, ako aj interpretácia mnohých významných javov v radiačnej a geomagnetickej histórii Zeme.