Gravitačné vlny zaznamenané 100 rokov po Einsteinovej predpovedi

, Autor:
LIGO otvára nové okno do vesmíru pozorovaním gravitačných vĺn z kolidujúcich čiernych dier.

Kredit: The SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project

Vedci po prvýkrát pozorovali vlnenie tkaniny časopriestoru nazvané ako gravitačné vlny, ktoré na Zem dorazili z kataklyzmatickej udalosti vo vzdialenom vesmíre. Toto pozorovanie potvrdzuje hlavnú predpoveď všeobecnej teórie relativity Alberta Einsteina z roku 1915 a otvára nové, nevídané okno do kozmu.

Gravitačné vlny nesú informácie o ich dramatickom pôvode a o povahe gravitácie, ktoré by inak nemohli byť získané. Fyzici usúdili, že zaznamenané gravitačné vlny vznikli počas posledného zlomku sekundy splynutia dvoch čiernych dier, ktoré tak vytvorili jednu, masívnejšiu rotujúcu čiernu dieru. Takáto kolízia dvoch čiernych dier bola predpovedaná, ale nikdy predtým sme ju nepozorovali.

Gravitačné vlny boli zaznamenané 14.septembra 2015 o 9:51 UTC oboma sesterskými prístrojmi, detektormi LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) umiestnenými v Livingstone v Louisiane a v Hanforde v štáte Washington v USA. LIGO observatóriá sú sponzorované Národnou Vedeckou Nadáciou (NSF) a boli koncipované, postavené, a sú obsluhované Caltech-om a MIT. Tento objav, akceptovaný k publikovaniu v časopise Physical Review Letters, bol uskutočnený Vedeckými kolaboráciami LIGO (ktorá zahŕňa aj Kolaboráciu GEO a Austrálske Konzorcium pre Interferometrickú Gravitačnú Astronómiu) a Virgo, s použitím dát z oboch LIGO detektorov.

Na základe pozorovaných signálov vedci v LIGO odhadli, že čierne diery zodpovedné za túto udalosť boli 29 až 36 krát ťažšie ako Slnko, a že táto udalosť sa odohrala pred 1,3 miliardami rokov. V zlomku sekundy sa približne 3 hmotnosti Slnka premenili na gravitačné vlny s maximálnym energetickým výstupom o sile asi 50 krát väčšej ako má celý viditeľný vesmír. Podľa času príchodu signálov - detektor v Livingstone zaznamenal udalosť o 7 milisekúnd skôr ako detektor v Hanforde - vedci môžu povedať, že zdroj sa nachádza na južnej hemisfére.

Podľa všeobecnej relativity čierne diery obiehajúce sa navzájom, strácajú energiu emisiou gravitačných vĺn, čo spôsobuje, že sa k sebe miliardu rokov približujú postupne a počas posledných minút oveľa rýchlejšie. Počas posledného zlomku sekundy čierne diery kolidujú takmer polovičnou rýchlosťou svetla a formujú jednu masívnejšiu čiernu dieru, premieňajúc časť hmotnosti novovzniknutej čiernej diery na energiu podľa Einsteinovej rovnice E = mc2 . Táto energia je uvoľnená ako posledné silné „vzplanutie" gravitačných vĺn a sú to práve tie, ktoré LIGO zaznamenali.

Existencia gravitačných vĺn bola prvýkrát demonštrovaná v 70tych a 80tych rokoch 20.storočia Josephom Taylorom ml. a jeho kolegami. Taylor a Russel Hulse v roku 1974 objavili binárny systém zložený z pulzaru na orbite okolo neutrónovej hviezdy. Taylor a Joel M. Weisberg v roku 1982 zistili, že obežná dráha pulzaru sa časom zmenšuje z dôvodu uvoľňovania energie v podobe gravitačných vĺn. Za objavenie pulzaru a poukázanie na to, že by bolo možné práve tieto gravitačné vlny namerať, Hulse a Taylor získali Nobelovu Cenu za Fyziku v roku 1993.

Nový objav učinený LIGOm je prvé pozorovanie gravitačných vĺn samotných, meraním nepatrných narušení časopriestoru spôsobených postupom gravitačných vĺn Zemou.

„Naše pozorovanie gravitačných vĺn spĺňa ambiciózny cieľ daný pred piatimi dekádami, a to priamo zaznamenať tento nepolapiteľný fenomén, a lepšie tak porozumieť vesmíru a príhodne naplniť Einsteinov odkaz na sté výročie jeho všeobecnej teórie relativity", vraví David H. Reitze, výkonný riaditeľ Laboratória LIGO.

Objav bol možný vďaka vylepšeným možnostiam Advanced LIGO, významného rozšírenia, ktoré zvyšuje citlivosť nástrojov v porovnaní s prvou generáciou LIGO detektorov, čo umožnilo veľký nárast objemu skúmaného vesmíru, a teda aj objav gravitačných vĺn počas svojho prvého pozorovacieho kola. Finančnú podporu pre Advanced LIGO vedie americká Národná Vedecká Nadácia. Sponzorujúce organizácie v Nemecku (Spoločnosť Maxa Plancka), Veľkej Británii (Koncil pre Vedecké a Technologické Zariadenia STFC) a v Austrálii (Austrálsky Koncil pre Výskum) takisto významne prispeli k projektu. Niektoré z kľúčových technológií, ktoré učinili Advanced LIGO o toľko citlivejším, boli vyvinuté a testované v nemecko-anglickej GEO spolupráci. Významnými výpočtovými zdrojmi prispeli AEI Hannover Atlas Cluster, LIGO Laboratórium, Univerzita v Syracuse a Univerzita Wisconsin-Milwaukee. Niektoré univerzity navrhli, postavili a testovali kľúčové komponenty pre Advanced LIGO: Austrálska Národná Univerzita, Univerzita v Adelaide, Floridská Univerzita, Univerzita Stanford, Kolumbijská Univerzita Štátu New York a Louisianská Štátna Univerzita.

„Počiatočné sponzorovanie LIGOa schválené v roku 1992 predstavovalo najväčšiu investíciu, akú kedy NSF poskytla.", vraví France Córdova, riaditeľka NSF. „Bolo to veľké riziko, ale NSF je agentúrou, ktorá takéto riziká podstúpi. Podporujeme totiž fundamentálnu vedu a inžinierstvo na ich ceste k objavu, ktorá je všelijaká, len nie jasná. Podporujeme priekopníkov. Preto je USA stále svetovým lídrom vo vylepšovaní poznania."

Výskum LIGO je uskutočňovaný Vedeckou Kolaboráciou LIGO (LSC), skupinou s viac ako 1000 vedcov z univerzít v USA a v 14tich iných krajinách. Viac ako 90 univerzít a výskumných inštitúcií v LSC vyvíja technológiu detektorov a analyzuje dáta; približne 250 študentov sú významne prispievajúcimi členmi kolaborácie. Sieť detektorov LIGO zahŕňa interferometre LIGO a detektor GEO600. Tím GEO pozostáva z vedcov z Inštitútu Maxa Plancka pre gravitačnú fyziku (Inštitút Alberta Einsteina, AEI), z Leibnizovej Univerzity v Hannoveri, spolu s partnermi na Univerzitách v Glasgow, v Cardiff a v Birminghame, s inými univerzitami vo Veľkej Británii a Univerzitou na Baleárskych Ostrovoch v Španielsku.

„Táto detekcia je začiatkom novej éry: odbor astronómie gravitačných vĺn je teraz realitou.", hovorí Gabriela Gonzáles, hovorkyňa NSF a profesorka fyziky a astronómie na Louisianskej Štátnej Univerzite.

LIGO bolo pôvodne navrhnuté ako prostriedok pre zaznamenávanie gravitačných vĺn v 80tych rokoch 20.storočia Rainerom Weissom, emeritným profesorom fyziky na MIT, emeritným profesorom R.P.Feynmana v oblasti teoretickej fyziky Kipom Thorneom a Ronaldom Dreverom, emeritným profesorom fyziky, obaja z Caltechu.

„Toto pozorovanie je nádherne opísané v Einsteinovej teórii všeobecnej relativity sformulovanej pred 100 rokmi a obsahuje aj prvý test teórie v silnej gravitácii. Bolo by úžasné sledovať Einsteinovu tvár, keby sme mu to mohli povedať.", hovorí Weiss.
„S týmto objavom ako ľudstvo vstupujeme do úžasnej výpravy skúmať zvlnenú stranu vesmíru - objekty a fenomény tvorené sprehýbaným časopriestorom. Kolidujúce čierne diery a gravitačné vlny sú prvými krásnymi príkladmi.", vraví Thorne.
Výskum Virgo prevádzkuje Kolaborácia Virgo pozostávajúca z viac ako 250 vedcov a inžinierov patriacich do 19tich rôznych európskych výskumných skupín: 6 z Národného Centra Vedeckého Výskumu (CRNS) vo Francúzsku, 8 z Národného Inštitútu Jadrovej Fyziky (INFN) v Taliansku, 2 z Národného Inštitútu pre Jadrovú Fyziku a Fyziku Vysokých Energií (NIKHEF) v Holandsku, Wigner RCP v Maďarsku, skupina POLGRAW z Poľska a Európske Gravitačné Observatórium (EGO) v blízkosti mesta Pisa v Taliansku, v ktorom sa nachádza detektor Virgo.

Fulvio Rici, hovorca Virgo poznamenáva, že: „Toto je významný míľnik pre fyziku, ale čo je dôležitejšie, iba začiatok mnohých nových a vzrušujúcich astrofyzikálnych objavov, ktoré LIGO a Virgo čakajú."

Bruce Allen, vrchný riaditeľ Inštiútu Maxa Plancka pre gravitačnú fyziku (Inštitút Alberta Einsteina) dodáva: „Einstein si myslel, že gravitačné vlny sú príliš slabé na to, aby sme ich mohli detekovať a neveril ani v existenciu čiernych dier. Ale ja si nemyslím, že by mu vadilo zmýliť sa!"

„Advanced LIGO detektory sú tour-de-force (pozn. prekladateľa: analogicky k Tour-de-France, pričom force = sila) vedy a techniky, umožnené skutočne výnimočnými medzinárodnými tímami technikov, inžinierov a vedcov.", vraví David Shoemaker z MIT, projektový vedúci pre Advanced LIGO. „Sme veľmi pyšní, že sme tento projekt sponzorovaný NSF dokončili načas a neprekročili finančný rámec."

Na každom observatóriu LIGO interferometer v tvare L dlhý 4km využíva laserové svetlo rozdelené do dvoch zväzkov, ktoré cestujú tam a späť takmer dokonalým vákuom v ramenách s priemerom približne 1,2m. Lúče monitorujú vzdialenosť medzi precízne umiestnenými zrkadlami na koncoch ramien. Podľa Einsteinovej teórie sa vzdialenosť medzi zrkadlami nepatrne zmení, keď detektorom prechádza gravitačná vlna. Dokážeme zaznamenať zmenu v dĺžkach ramien menšiu ako jednu desaťtisícinu priemeru protónu (10-19m).

„Aby sa tento fantastický míľnik stal skutočnosťou, museli vedci spolupracovať na globálnej úrovni - laserové a tlmiace technológie vyvinuté pre náš GEO600 detektor boli použité so zámerom pomôcť učiniť Advanced LIGO najsofistikovanejším detektorom gravitačných vĺn, aký sme kedy vytvorili.", hovorí Sheila Rowan, profesorka fyziky a astronómie na Univerzite v Glasgow.
Nezávislé a dostatočne od seba vzdialené observatóriá sú potrebné na určenie smeru udalosti spôsobujúcej gravitačné vlny, ale takisto aj na overenie toho, že signály prichádzajú z vesmíru a nie z iných lokálnych fenoménov.

Na záver: LIGO laboratórium úzko spolupracuje s vedcami z Indie z Inter-univerzitného Centra pre Astronómiu a Astrofyziku, Centra Pokročilých Technológií Raja Ramana a z Plazmového Inštitútu, na vytvorení tretieho Advanced LIGO detektora na Indickom subkontinente. Momentálne čakajú na schválenie indickou vládou, ale mohol by byť v prevádzke na začiatku nasledujúcej dekády. Ďalší detektor výrazne zlepší schopnosť globálnej siete detektorov lokalizovať zdroje gravitačných vĺn.

„Dúfame, že toto prvé pozorovanie urýchli výstavbu globálnej siete detektorov, ktorá nám umožní spresniť pozíciu zdroja.", hovorí David McClelland, profesor fyziky a riaditeľ Centra pre Gravitačnú Fyziku na Austrálskej Národnej Univerzite.

Video a obrázky môžete nájsť na http://mediaassets.caltech.edu/gwave


Tlačovú správu preložila Júlia Horilová