Gravitační vlny - umělcovo ztvárnění
Gravitační vlny jsou poruchy časoprostorové metriky, které se oddělují od zdroje a šíří se jako vlny (takzvané „časoprostorové vlnění“).
V obecná teorie relativity a ve většině ostatních moderní teorie V gravitaci jsou gravitační vlny generovány pohybem masivních těles s proměnným zrychlením. Gravitační vlny se šíří volně v prostoru rychlostí světla. Vzhledem k relativní slabosti gravitačních sil (ve srovnání s jinými) mají tyto vlny velmi malou velikost, kterou je obtížné zaregistrovat.
Polarizované gravitační vlna
Gravitační vlny předpovídá obecná teorie relativity (GR) a mnoho dalších. Poprvé byly přímo detekovány v září 2015 dvěma dvojitými detektory, které detekovaly gravitační vlny, pravděpodobně vzniklé sloučením dvou a vytvořením jednoho masivnějšího rotačního Černá díra. Nepřímé důkazy o jejich existenci jsou známy již od 70. let 20. století – Obecná teorie relativity předpovídá rychlost konvergence blízkých systémů v důsledku ztráty energie v důsledku emise gravitačních vln, což se shoduje s pozorováními. Přímá registrace gravitačních vln a jejich využití pro stanovení parametrů astrofyzikálních procesů je důležitým úkolem moderní fyziky a astronomie.
V rámci obecné teorie relativity jsou gravitační vlny popsány řešeními Einsteinových rovnic vlnového typu, které představují poruchu časoprostorové metriky pohybující se rychlostí světla (v lineární aproximaci). Projevem této poruchy by měla být zejména periodická změna vzdálenosti mezi dvěma volně padajícími (tedy silami neovlivňovanými) zkušebními hmotami. Amplituda h gravitační vlna je bezrozměrná veličina – relativní změna vzdálenosti. Předpovězené maximální amplitudy gravitačních vln z astrofyzikálních objektů (například kompaktních binárních systémů) a jevů (výbuchy, sloučení, záchyty černými dírami atd.) při měření jsou velmi malé ( h=10 -18 -10 -23). Slabá (lineární) gravitační vlna podle obecné teorie relativity přenáší energii a hybnost, pohybuje se rychlostí světla, je příčná, kvadrupólová a je popsána dvěma nezávislými složkami umístěnými navzájem pod úhlem 45° ( má dva směry polarizace).
Různé teorie předpovídají rychlost šíření gravitačních vln různě. V obecné relativitě se rovná rychlosti světla (v lineární aproximaci). V jiných teoriích gravitace může nabývat jakékoli hodnoty, včetně nekonečna. Podle první registrace gravitačních vln se ukázalo, že jejich rozptyl je kompatibilní s bezhmotným gravitonem a rychlost byla odhadnuta na rovna rychlosti světla.
Generování gravitačních vln
Systém dvou neutronové hvězdy vytváří vlnky v časoprostoru
Gravitační vlna je vyzařována jakoukoli hmotou pohybující se asymetrickým zrychlením. Aby se objevila vlna významné amplitudy, je zapotřebí extrémně velká hmotnost emitoru a/nebo obrovská zrychlení; amplituda gravitační vlny je přímo úměrná první derivace zrychlení a hmotnost generátoru, to je ~ . Pokud se však objekt pohybuje zrychlenou rychlostí, znamená to, že na něj působí nějaká síla z jiného objektu. Na druhé straně tento jiný objekt zažívá opačný efekt (podle 3. Newtonova zákona) a ukazuje se, že m 1 A 1 = − m 2 A 2 . Ukazuje se, že dva objekty vyzařují gravitační vlny pouze ve dvojicích a v důsledku interference se vzájemně téměř úplně vyruší. Gravitační záření má proto v obecné teorii relativity vždy vícepólový charakter minimálně kvadrupólového záření. Navíc pro nerelativistické zářiče ve výrazu pro intenzitu záření existuje malý parametr, kde je gravitační poloměr zářiče, r- jeho charakteristická velikost, T- charakteristické období pohybu, C- rychlost světla ve vakuu.
Nejsilnější zdroje gravitačních vln jsou:
- kolize (obří hmoty, velmi malá zrychlení),
- gravitační kolaps binárního systému kompaktních objektů (kolosální zrychlení s poměrně velkou hmotností). Jako zvláštní a nejzajímavější případ – sloučení neutronových hvězd. V takovém systému je svítivost gravitačních vln blízká maximální Planckově svítivosti možné v přírodě.
Gravitační vlny vyzařované systémem dvou těles
Dvě tělesa pohybující se po kruhových drahách kolem společného těžiště
Dvě gravitačně vázaná tělesa s hmotností m 1 a m 2, pohybující se nerelativisticky ( proti << C) na kruhových drahách kolem jejich společného těžiště na dálku r vzájemně vyzařují gravitační vlny o následující energii v průměru za období:
V důsledku toho systém ztrácí energii, což vede ke konvergenci těles, tedy ke zmenšování vzdálenosti mezi nimi. Rychlost přiblížení těles:
Například pro sluneční soustavu je největší gravitační záření produkováno subsystémem a. Výkon tohoto záření je přibližně 5 kilowattů. Energie ztracená Sluneční soustavou gravitačním zářením za rok je tedy ve srovnání s charakteristickou kinetickou energií těles zcela zanedbatelná.
Gravitační kolaps binárního systému
Jakákoli dvojhvězda, když její složky rotují kolem společného těžiště, ztrácí energii (jak se předpokládá - v důsledku vyzařování gravitačních vln) a nakonec se spojí dohromady. Ale u obyčejných, nekompaktních, dvojhvězd tento proces trvá velmi dlouho, mnohem déle než současný věk. Pokud se kompaktní binární systém skládá z páru neutronových hvězd, černých děr nebo jejich kombinace, může ke sloučení dojít během několika milionů let. Nejprve se objekty přiblíží k sobě a zkrátí se doba jejich otáčení. Poté v konečné fázi dojde ke srážce a asymetrickému gravitačnímu kolapsu. Tento proces trvá zlomek sekundy a během této doby se energie ztrácí do gravitačního záření, které podle některých odhadů představuje více než 50 % hmotnosti systému.
Základní exaktní řešení Einsteinových rovnic pro gravitační vlny
Bondi-Pirani-Robinsonovy tělesné vlny
Tyto vlny jsou popsány metrikou tvaru . Zavedeme-li proměnnou a funkci, pak z obecných rovnic relativity dostaneme rovnici
Metrika Takeno
má tvar , -funkce splňují stejnou rovnici.
Rosenova metrika
Kde uspokojit
Perezova metrika
V čem
Válcové Einstein-Rosenovy vlny
Ve cylindrických souřadnicích mají takové vlny tvar a jsou prováděny
Registrace gravitačních vln
Registrace gravitačních vln je poměrně obtížná kvůli jejich slabosti (malé zkreslení metriky). Zařízení pro jejich registraci jsou detektory gravitačních vln. Pokusy o detekci gravitačních vln byly činěny od konce 60. let 20. století. Gravitační vlny detekovatelné amplitudy se rodí během kolapsu dvojhvězdy. K podobným událostem v okolí dochází přibližně jednou za deset let.
Na druhou stranu obecná teorie relativity předpovídá zrychlení vzájemné rotace dvojhvězd v důsledku ztráty energie v důsledku emise gravitačních vln a tento efekt je spolehlivě zaznamenán u několika známých systémů binárních kompaktních objektů (v zejména pulsary s kompaktními společníky). V roce 1993 „za objev nového typu pulsaru, který poskytl nové příležitosti ve studiu gravitace“ objevitelům prvního dvojitého pulsaru PSR B1913+16, Russell Hulse a Joseph Taylor Jr. získal Nobelovu cenu za fyziku. Zrychlení rotace pozorované v tomto systému se zcela shoduje s předpověďmi obecné relativity pro emisi gravitačních vln. Stejný jev byl zaznamenán v několika dalších případech: u pulsarů PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (obvykle zkráceně J0651) a systému binárního RX J0806. Například vzdálenost mezi dvěma složkami A a B první dvojhvězdy dvou pulsarů PSR J0737-3039 se zmenšuje asi o 2,5 palce (6,35 cm) za den v důsledku ztráty energie gravitačními vlnami, a to se děje v souladu s obecná teorie relativity. Všechny tyto údaje jsou interpretovány jako nepřímé potvrzení existence gravitačních vln.
Podle odhadů jsou nejsilnějšími a nejčastějšími zdroji gravitačních vln pro gravitační teleskopy a antény katastrofy spojené s kolapsem binárních systémů v blízkých galaxiích. Očekává se, že v blízké budoucnosti bude na vylepšených gravitačních detektorech zaznamenáno několik podobných událostí za rok, které zkreslí metriku v okolí o 10 −21 -10 −23 . První pozorování opticko-metrického parametrického rezonančního signálu, který umožňuje detekovat vliv gravitačních vln z periodických zdrojů, jako je těsná dvojhvězda na záření kosmických maserů, mohla být získána na radioastronomické observatoři v Rusku. Akademie věd, Pushchino.
Další možností detekce pozadí gravitačních vln vyplňujících Vesmír je vysoce přesné časování vzdálených pulsarů - analýza doby příchodu jejich pulsů, která se charakteristicky mění pod vlivem gravitačních vln procházejících prostorem mezi Zemí a pulsarem. Odhady pro rok 2013 naznačují, že přesnost časování je třeba zlepšit asi o jeden řád, aby bylo možné detekovat vlny pozadí z více zdrojů v našem vesmíru, což je úkol, který by mohl být splněn do konce desetiletí.
Podle moderních představ je náš vesmír naplněn reliktními gravitačními vlnami, které se objevily v prvních okamžicích poté. Jejich registrace umožní získat informace o procesech na počátku zrodu Vesmíru. Dne 17. března 2014 ve 20:00 moskevského času v Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics oznámila americká skupina výzkumníků pracujících na projektu BICEP 2 detekci nenulových tenzorových poruch v raném vesmíru polarizací kosmického mikrovlnné záření na pozadí, což je také objev těchto reliktních gravitačních vln. Tento výsledek byl však téměř okamžitě zpochybněn, protože, jak se ukázalo, příspěvek nebyl řádně zohledněn. Jeden z autorů, J. M. Kovats ( Kováč J. M.), připustil, že „účastníci a vědečtí novináři byli trochu unáhlení při interpretaci a hlášení dat z experimentu BICEP2“.
Experimentální potvrzení existence
První zaznamenaný signál gravitační vlny. Vlevo jsou data z detektoru v Hanfordu (H1), vpravo - v Livingstonu (L1). Čas se počítá od 14. září 2015, 09:50:45 UTC. Pro vizualizaci signálu je filtrován frekvenčním filtrem s propustným pásmem 35-350 Hertz pro potlačení velkých výkyvů mimo rozsah vysoké citlivosti detektorů, pro potlačení šumu samotných instalací byly použity i pásmové zádrže. Horní řada: napětí h v detektorech. GW150914 poprvé dorazil do L1 a 6 9 +0 5 −0 4 ms později do H1; Pro vizuální srovnání jsou data z H1 zobrazena v grafu L1 v obrácené a časově posunuté formě (aby se zohlednila relativní orientace detektorů). Druhá řada: napětí h ze signálu gravitační vlny, procházející stejným pásmovým filtrem 35-350 Hz. Plná čára je výsledkem numerické relativity pro systém s parametry kompatibilními s těmi, které byly nalezeny na základě studie signálu GW150914, získaného dvěma nezávislými kódy s výslednou shodou 99,9. Šedé tlusté čáry jsou oblasti s 90% spolehlivostí tvaru vlny rekonstruované z dat detektoru dvěma různými metodami. Tmavě šedá čára modeluje očekávané signály ze splynutí černých děr, světle šedá čára nevyužívá astrofyzikálních modelů, ale představuje signál jako lineární kombinaci sinusových-Gaussových vlnek. Rekonstrukce se překrývají z 94 %. Třetí řádek: Zbytkové chyby po extrakci filtrované predikce signálu numerické relativity z filtrovaného signálu detektorů. Spodní řádek: Znázornění mapy frekvence napětí, která ukazuje nárůst dominantní frekvence signálu v průběhu času.
11. února 2016 spolupráce LIGO a VIRGO. Slučovací signál dvou černých děr s amplitudou maximálně asi 10 −21 byl zaznamenán 14. září 2015 v 9:51 UTC dvěma detektory LIGO v Hanfordu a Livingstonu, 7 milisekund od sebe, v oblasti maximální amplitudy signálu ( 0,2 sekundy) byl dohromady poměr signálu k šumu 24:1. Signál byl označen GW150914. Tvar signálu odpovídá předpovědi obecné teorie relativity pro sloučení dvou černých děr o hmotnostech 36 a 29 hmotností Slunce; výsledná černá díra by měla mít hmotnost 62 slunečních a rotační parametr A= 0,67. Vzdálenost ke zdroji je asi 1,3 miliardy, energie emitovaná v desetinách sekundy při sloučení odpovídá asi 3 hmotnostem Slunce.
Příběh
Historie samotného pojmu „gravitační vlna“, teoretické a experimentální hledání těchto vln, jakož i jejich využití pro studium jevů, které jsou jinými metodami nedostupné.
- 1900 – Lorentz navrhl, že gravitace „...může se šířit rychlostí ne větší než rychlost světla“;
- 1905 – Poincaré poprvé zavedl termín gravitační vlna (onde gravifique). Poincaré na kvalitativní úrovni odstranil zavedené Laplaceovy námitky a ukázal, že korekce spojené s gravitačními vlnami vůči obecně uznávaným Newtonovým zákonům gravitace řádu se ruší, takže předpoklad existence gravitačních vln není v rozporu s pozorováními;
- 1916 – Einstein ukázal, že v rámci obecné relativity bude mechanický systém přenášet energii do gravitačních vln a zhruba řečeno, jakákoli rotace vůči stálicím se dříve či později musí zastavit, i když samozřejmě za normálních podmínek dochází ke ztrátám energie. řádově jsou zanedbatelné a prakticky neměřitelné (v roce V této práci se také mylně domníval, že mechanický systém, který neustále udržuje sférickou symetrii, může vyzařovat gravitační vlny);
- 1918 – Einstein odvodil kvadrupólový vzorec, ve kterém se emise gravitačních vln ukazuje jako efekt řádu , čímž opravuje chybu ve své předchozí práci (chyba zůstala v koeficientu, energie vlny je 2krát menší);
- 1923 – Eddington – zpochybnil fyzikální realitu gravitačních vln „...šířících se...rychlostí myšlenky“. V roce 1934, při přípravě ruského překladu své monografie „Teorie relativity“, Eddington přidal několik kapitol, včetně kapitol se dvěma možnostmi pro výpočet energetických ztrát rotující tyčí, ale poznamenal, že metody používané pro přibližné výpočty obecné teorie relativity, podle jeho názoru nejsou aplikovatelné na gravitačně vázané systémy, takže pochybnosti zůstávají;
- 1937 – Einstein spolu s Rosenem zkoumali řešení válcových vln k přesným rovnicím gravitačního pole. V průběhu těchto studií začali pochybovat, že gravitační vlny mohou být artefaktem přibližných řešení obecných rovnic relativity (je známa korespondence týkající se recenze článku „Existují gravitační vlny?“ od Einsteina a Rosena). Později našel chybu ve svých úvahách, konečná verze článku se zásadními změnami vyšla v Journal of Franklin Institute;
- 1957 – Herman Bondi a Richard Feynman navrhli myšlenkový experiment s „korálkovou hůlkou“, ve kterém doložili existenci fyzikálních důsledků gravitačních vln v obecné relativitě;
- 1962 – Vladislav Pustovoit a Michail Herzenstein popsali principy použití interferometrů k detekci dlouhovlnných gravitačních vln;
- 1964 – Philip Peters a John Matthew teoreticky popsali gravitační vlny vyzařované binárními systémy;
- 1969 – Joseph Weber, zakladatel astronomie gravitačních vln, hlásí detekci gravitačních vln pomocí rezonančního detektoru – mechanické gravitační antény. Tyto zprávy dávají podnět k rychlému růstu práce v tomto směru, zejména Rainier Weiss, jeden ze zakladatelů projektu LIGO, v té době zahájil experimenty. Do dnešního dne (2015) se nikomu nepodařilo získat spolehlivé potvrzení těchto událostí;
- 1978 – Joseph Taylor oznámila detekci gravitačního záření v binárním pulsarovém systému PSR B1913+16. Výzkum Josepha Taylora a Russella Hulse si zaslouží Nobelova cena ve fyzice za rok 1993. Počátkem roku 2015 byly u nejméně 8 takových systémů měřeny tři post-keplerovské parametry, včetně zkrácení periody v důsledku emise gravitačních vln;
- 2002 - Sergey Kopeikin a Edward Fomalont použili interferometrii rádiových vln s ultra dlouhou základní linií k měření odchylky světla v gravitačním poli Jupiteru v dynamice, což pro určitou třídu hypotetických rozšíření obecné teorie relativity umožňuje odhadnout rychlost gravitace - rozdíl od rychlosti světla by neměl překročit 20% (tato interpretace není obecně přijímána);
- 2006 - mezinárodní tým Marthy Bourgay (Parkes Observatory, Austrálie) oznámil výrazně přesnější potvrzení obecné teorie relativity a její korespondence s velikostí záření gravitačních vln v systému dvou pulsarů PSR J0737-3039A/B;
- 2014 - Astronomové z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (BICEP) oznámili detekci prvotních gravitačních vln při měření fluktuací kosmického mikrovlnného záření na pozadí. V tuto chvíli (2016) nejsou zjištěné výkyvy považovány za reliktní, ale jsou vysvětleny emisí prachu v Galaxii;
- 2016 - mezinárodní tým LIGO oznámila detekci tranzitní události gravitační vlny GW150914. Poprvé přímé pozorování interagujících hmotných těles v ultrasilných gravitačních polích s ultravysokými relativními rychlostmi (< 1,2 × R s , v/c >0,5), což umožnilo ověřit správnost obecné teorie relativity s přesností několika postnewtonských členů vysokých řádů. Naměřená disperze gravitačních vln není v rozporu s dříve provedenými měřeními disperze a horní hranice hmotnosti hypotetického gravitonu (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.
Valentin Nikolaevich Rudenko vypráví příběh o své návštěvě města Cascina (Itálie), kde strávil týden na tehdy právě postavené „gravitační anténě“ – Michelsonově optickém interferometru. Cestou do cíle se taxikář ptá, proč byla instalace postavena. "Lidé si tady myslí, že je to na rozhovor s Bohem," připouští řidič.
– Co jsou gravitační vlny?
– Gravitační vlna je jedním z „nosičů astrofyzikálních informací“. Existují viditelné kanály astrofyzických informací, dalekohledy hrají zvláštní roli ve „vidění na dálku“. Astronomové také zvládli nízkofrekvenční kanály - mikrovlnné a infračervené a vysokofrekvenční kanály - rentgenové a gama. Kromě elektromagnetického záření můžeme detekovat proudy částic z vesmíru. K tomuto účelu se používají neutrinové teleskopy – velkorozměrové detektory kosmických neutrin – částic, které slabě interagují s hmotou, a proto se obtížně registrují. Téměř všechny teoreticky předpovězené a laboratorně prozkoumané typy „nosičů astrofyzikálních informací“ jsou v praxi spolehlivě zvládnuty. Výjimkou byla gravitace – nejslabší interakce v mikrokosmu a nejsilnější síla v makrokosmu.
Gravitace je geometrie. Gravitační vlny jsou geometrické vlny, tedy vlny, které při průchodu tímto prostorem mění geometrické charakteristiky prostoru. Zhruba řečeno jde o vlny, které deformují prostor. Deformace je relativní změna vzdálenosti mezi dvěma body. Gravitační záření se od všech ostatních druhů záření liší právě tím, že je geometrické.
– Předpověděl Einstein gravitační vlny?
– Formálně se má za to, že gravitační vlny předpověděl Einstein jako jeden z důsledků své obecné teorie relativity, ale ve skutečnosti je jejich existence zřejmá již ve speciální teorii relativity.
Teorie relativity naznačuje, že v důsledku gravitační přitažlivosti je možný gravitační kolaps, to znamená, že objekt je v důsledku kolapsu přitažen k sobě, zhruba řečeno, do určitého bodu. Pak je gravitace tak silná, že z ní nemůže ani uniknout světlo, takže se takovému objektu říká obrazně černá díra.
– Jaká je zvláštnost gravitační interakce?
Rysem gravitační interakce je princip ekvivalence. Dynamická odezva zkušebního tělesa v gravitačním poli podle něj nezávisí na hmotnosti tohoto tělesa. Jednoduše řečeno, všechna tělesa padají se stejným zrychlením.
Gravitační interakce je nejslabší, jakou dnes známe.
– Kdo se jako první pokusil zachytit gravitační vlnu?
– Experiment s gravitační vlnou poprvé provedl Joseph Weber z University of Maryland (USA). Vytvořil gravitační detektor, který je nyní uložen ve Smithsonian Museum ve Washingtonu. V letech 1968-1972 provedl Joe Weber sérii pozorování na dvojici prostorově oddělených detektorů a snažil se izolovat případy „náhod“. Technika koincidence je vypůjčena z jaderné fyziky. Nízká statistická významnost gravitačních signálů získaných Weberem způsobila kritický postoj k výsledkům experimentu: nebylo jisté, že gravitační vlny byly detekovány. Následně se vědci pokusili zvýšit citlivost detektorů typu Weber. Vývoj detektoru, jehož citlivost byla adekvátní astrofyzikální předpovědi, trvalo 45 let.
Při zahájení experimentu probíhalo před fixací mnoho dalších experimentů, v tomto období byly zaznamenány impulsy, ale jejich intenzita byla příliš nízká.
– Proč nebyla fixace signálu oznámena okamžitě?
– Gravitační vlny byly zaznamenány již v září 2015. Ale i když byla zaznamenána náhoda, před jejím oznámením je nutné prokázat, že není náhodná. Signál odebraný z jakékoli antény vždy obsahuje šumové záblesky (krátkodobé záblesky) a jeden z nich se může náhodně objevit současně se zábleskem šumu na jiné anténě. Že náhoda nebyla náhodná, lze dokázat pouze pomocí statistických odhadů.
– Proč jsou objevy v oblasti gravitačních vln tak důležité?
– Schopnost registrovat reliktní gravitační pozadí a měřit jeho charakteristiky, jako je hustota, teplota atd., nám umožňuje přiblížit se k počátku vesmíru.
Atraktivní je, že gravitační záření je obtížné detekovat, protože velmi slabě interaguje s hmotou. Ale díky této stejné vlastnosti přechází bez pohlcení od objektů nejvzdálenějších od nás s nejzáhadnějšími, z hlediska hmoty, vlastnostmi.
Můžeme říci, že gravitační záření prochází bez zkreslení. Nejambicióznějším cílem je studovat gravitační záření, které bylo odděleno od prvotní hmoty v Teorii velkého třesku, která vznikla při stvoření vesmíru.
– Vylučuje objev gravitačních vln kvantovou teorii?
Teorie gravitace předpokládá existenci gravitačního kolapsu, tedy smršťování hmotných objektů do bodu. Kvantová teorie vyvinutá Kodaňskou školou zároveň naznačuje, že díky principu neurčitosti není možné současně indikovat přesně takové parametry, jako je souřadnice, rychlost a hybnost tělesa. Platí zde princip neurčitosti, nelze určit přesnou trajektorii, protože trajektorie je jak souřadnice, tak rychlost atd. Určit určitý podmíněný koridor spolehlivosti lze pouze v mezích této chyby, která je spojena s principy neurčitosti. Kvantová teorie kategoricky popírá možnost bodových objektů, ale popisuje je statisticky pravděpodobnostním způsobem: konkrétně neuvádí souřadnice, ale udává pravděpodobnost, že má určité souřadnice.
Otázka sjednocení kvantové teorie a teorie gravitace je jednou ze základních otázek vytvoření jednotné teorie pole.
Nyní na tom pokračují a slova „ kvantová gravitace“znamená zcela pokročilou oblast vědy, hranici vědění a nevědomosti, kde nyní pracují všichni teoretici světa.
– Co může objev přinést v budoucnu?
Gravitační vlny musí nevyhnutelně tvořit základ moderní vědy jako jedna ze složek našeho poznání. Hrají významnou roli ve vývoji vesmíru a pomocí těchto vln by měl být vesmír studován. Discovery podporuje obecný vývoj věda a kultura.
Pokud se rozhodnete jít nad rámec dnešní vědy, pak je přípustné si představit gravitační telekomunikační vedení, trysková zařízení využívající gravitační záření, gravitační vlnová introskopická zařízení.
– Mají gravitační vlny něco společného s mimosmyslovým vnímáním a telepatií?
Nemít. Popsané účinky jsou účinky kvantový svět, optické efekty.
Rozhovor s Annou Utkinou
Astrofyzici potvrdili existenci gravitačních vln, jejichž existenci předpověděl Albert Einstein asi před 100 lety. Byly detekovány pomocí detektorů na observatoři gravitačních vln LIGO, která se nachází ve Spojených státech.
Poprvé v historii lidstvo zaznamenalo gravitační vlny - vibrace časoprostoru, které přišly na Zemi ze srážky dvou černých děr, k nimž došlo daleko ve Vesmíru. K tomuto objevu přispěli i ruští vědci. Ve čtvrtek o svém objevu vědci mluví po celém světě – ve Washingtonu, Londýně, Paříži, Berlíně a dalších městech včetně Moskvy.
Na fotografii je simulace srážky černé díry
Na tiskové konferenci v kanceláři Rambler&Co oznámil Valery Mitrofanov, vedoucí ruské části spolupráce LIGO, objev gravitačních vln:
„Bylo nám ctí zúčastnit se tohoto projektu a představit vám výsledky. Nyní vám řeknu význam objevu v ruštině. Viděli jsme krásné obrázky detektorů LIGO v USA. Vzdálenost mezi nimi je 3000 km. Pod vlivem gravitační vlny se jeden z detektorů posunul, načež jsme je objevili. Nejprve jsme na počítači viděli jen šum a pak se masa detektorů Hamford začala houpat. Po výpočtu získaných dat jsme byli schopni určit, že to byly černé díry, které se srazily ve vzdálenosti 1,3 miliardy. světelné roky daleko. Signál byl velmi čistý, ze šumu vycházel velmi zřetelně. Mnoho lidí nám říkalo, že jsme měli štěstí, ale příroda nám dala takový dar. Gravitační vlny byly objeveny, to je jisté."
Astrofyzici potvrdili zvěsti, že byli schopni detekovat gravitační vlny pomocí detektorů na observatoři gravitačních vln LIGO. Tento objev umožní lidstvu učinit významný pokrok v pochopení toho, jak vesmír funguje.
K objevu došlo 14. září 2015 současně se dvěma detektory ve Washingtonu a Louisianě. Signál dorazil k detektorům v důsledku srážky dvou černých děr. Vědcům trvalo tak dlouho, než ověřili, že produktem srážky byly gravitační vlny.
Ke srážce děr došlo při rychlosti zhruba poloviční než rychlost světla, což je přibližně 150 792 458 m/s.
„Newtonovská gravitace byla popsána v plochém prostoru a Einstein ji přenesl do časové roviny a předpokládal, že ji ohýbá. Gravitační interakce je velmi slabá. Na Zemi jsou experimenty k vytvoření gravitačních vln nemožné. Byly objeveny až po sloučení černých děr. Detektor se posunul, představte si, o 10 až -19 metrů. Není to cítit rukama. Pouze s pomocí velmi přesných přístrojů. Jak to udělat? Laserový paprsek, kterým byl posun zaznamenán, byl ve své podstatě unikátní. Druhá generace laserové gravitační antény LIGO byla uvedena do provozu v roce 2015. Citlivost umožňuje detekovat gravitační poruchy přibližně jednou za měsíc. Toto je pokročilá světová a americká věda, nic přesnějšího na světě neexistuje. Doufáme, že se mu podaří překonat standardní limit kvantové citlivosti,“ vysvětlil objev Sergei Vjatchanin, zaměstnanec katedry fyziky Moskevské státní univerzity a spolupráce LIGO.
Standardní kvantový limit (SQL) v kvantové mechanice je omezením přesnosti nepřetržitého nebo opakovaně opakovaného měření jakékoli veličiny popsané operátorem, který sám se sebou v různých časech nedojíždí. Předpověděl v roce 1967 V.B. Braginsky a termín standardní kvantový limit (SQL) navrhl později Thorne. SKP úzce souvisí s Heisenbergovým vztahem nejistoty.
Na závěr Valery Mitrofanov hovořil o plánech dalšího výzkumu:
"Tento objev je začátkem nové astronomie gravitačních vln." Prostřednictvím kanálu gravitačních vln očekáváme, že se dozvíme více o vesmíru. Známe složení pouze 5 % hmoty, zbytek je záhadou. Gravitační detektory vám umožní vidět oblohu v „gravitačních vlnách“. Doufáme, že v budoucnu uvidíme začátek všeho, tedy reliktní záření velkého třesku, a pochopíme, co se tehdy přesně stalo.“
Gravitační vlny poprvé navrhl Albert Einstein v roce 1916, téměř přesně před 100 lety. Rovnice pro vlny je důsledkem rovnic teorie relativity a není odvozena úplně nejjednodušším způsobem.
Kanadský teoretický fyzik Clifford Burgess dříve publikoval dopis, podle kterého observatoř detekovala gravitační záření způsobené sloučením binárního systému černých děr o hmotnostech 36 a 29 hmotností Slunce do objektu o hmotnosti 62 hmotností Slunce. Srážka a asymetrický gravitační kolaps trvají zlomek sekundy a během této doby se energie o velikosti až 50 procent hmotnosti systému ztratí do gravitačního záření – vlnění v časoprostoru.
Gravitační vlna je vlna gravitace generovaná ve většině teorií gravitace pohybem gravitačních těles s proměnným zrychlením. Vzhledem k relativní slabosti gravitačních sil (ve srovnání s jinými) by tyto vlny měly mít velmi malou velikost, těžko registrovatelnou. Jejich existenci předpověděl Albert Einstein asi před sto lety.
Včera otřásla světem senzace: vědci konečně objevili gravitační vlny, jejichž existenci Einstein předpověděl už před sto lety. To je průlom. Zkreslení časoprostoru (to jsou gravitační vlny – teď si vysvětlíme, co je co) bylo objeveno na observatoři LIGO a jedním z jejích zakladatelů je – kdo myslíte? - Kip Thorne, autor knihy.
Řekneme vám, proč je objev gravitačních vln tak důležitý, co řekl Mark Zuckerberg a samozřejmě se podělíme o příběh z první osoby. Kip Thorne jako nikdo jiný ví, jak projekt funguje, čím je neobvyklý a jaký význam má LIGO pro lidstvo. Ano, ano, vše je tak vážné.
Objev gravitačních vln
Vědecký svět si bude navždy pamatovat datum 11. února 2016. V tento den účastníci projektu LIGO oznámili: po tolika marných pokusech byly nalezeny gravitační vlny. Tohle je realita. Ve skutečnosti byly objeveny o něco dříve: v září 2015, ale včera byl objev oficiálně uznán. The Guardian věří, že vědci určitě dostanou Nobelovu cenu za fyziku.
Příčinou gravitačních vln je srážka dvou černých děr, ke které došlo již... miliardu světelných let od Země. Dokážete si představit, jak obrovský je náš vesmír! Vzhledem k tomu, že černé díry jsou velmi masivní tělesa, vysílají vlnění časoprostorem a mírně jej deformují. Objevují se tedy vlny, podobné těm, které se šíří z kamene hozeného do vody.
Tak si můžete představit gravitační vlny přicházející k Zemi například z červí díry. Kresba z knihy „Interstellar. Věda v zákulisí"
Výsledné vibrace byly převedeny na zvuk. Zajímavé je, že signál z gravitačních vln přichází přibližně na stejné frekvenci jako naše řeč. Na vlastní uši tak můžeme slyšet, jak se černé díry srážejí. Poslechněte si, jak zní gravitační vlny.
A Hádej co? V poslední době nejsou černé díry strukturovány, jak se dříve myslelo. Neexistoval však vůbec žádný důkaz, že v zásadě existují. A teď existuje. Černé díry ve vesmíru skutečně „žijí“.
Takhle podle vědců vypadá katastrofa – sloučení černých děr.
11. února se uskutečnila grandiózní konference, na které se sešlo více než tisíc vědců z 15 zemí. Přítomni byli i ruští vědci. A samozřejmě tam byl Kip Thorne. „Tento objev je začátkem úžasného, velkolepého pátrání po lidech: hledání a zkoumání zakřivené strany vesmíru – objektů a jevů vytvořených z pokřiveného časoprostoru. Srážky černých děr a gravitační vlny jsou našimi prvními pozoruhodnými příklady,“ řekl Kip Thorne.
Hledání gravitačních vln bylo jedním z hlavních problémů fyziky. Nyní byly nalezeny. A Einsteinova genialita se opět potvrzuje.
V říjnu jsme vyzpovídali Sergeje Popova, ruského astrofyzika a slavného popularizátora vědy. Vypadal, jako by se díval do vody! Na podzim: „Zdá se mi, že jsme nyní na prahu nových objevů, což je spojeno především s prací detektorů gravitačních vln LIGO a VIRGO (Kip Thorne významně přispěl ke vzniku projektu LIGO) .“ Úžasné, že?
Gravitační vlny, vlnové detektory a LIGO
No a teď trochu fyziky. Pro ty, kteří opravdu chtějí pochopit, co jsou gravitační vlny. Tady umělecký obraz Tendex čáry dvou černých děr, které se navzájem obíhají proti směru hodinových ručiček a poté se srazí. Linky Tendex generují přílivovou gravitaci. Pokračuj. Linie, které vycházejí ze dvou od sebe nejvzdálenějších bodů na plochách dvojice černých děr, protahují vše, co jim stojí v cestě, včetně umělcova přítele na kresbě. Čáry vycházející z oblasti kolize vše komprimují.
Jak se otvory otáčejí kolem sebe, nesou se podél svých tendexových linií, které připomínají proudy vody z rotujícího postřikovače na trávníku. Na obrázku z knihy „Interstellar. Věda v zákulisí“ - dvojice černých děr, které se srazí, rotují kolem sebe proti směru hodinových ručiček, a jejich tendexové čáry.
Černé díry se spojují v jednu velká díra; deformuje se a otáčí se proti směru hodinových ručiček a táhne s sebou tendexové čáry. Stacionární pozorovatel daleko od díry pocítí vibrace, když jím šlachové čáry procházejí: natahování, pak stlačení, pak protažení – šlachovité čáry se staly gravitační vlnou. Jak se vlny šíří, deformace černé díry se postupně zmenšuje a vlny také slábnou.
Když tyto vlny dosáhnou Země, vypadají jako vlny zobrazené v horní části obrázku níže. Natahují se jedním směrem a stlačují ve druhém. Protažení a stlačení oscilují (od červené zprava doleva, do modré zprava doleva, do červené zprava doleva atd.), jak vlny procházejí detektorem ve spodní části obrázku.
Gravitační vlny procházející detektorem LIGO.
Detektor se skládá ze čtyř velkých zrcadel (40 kilogramů, 34 centimetrů v průměru), která jsou připevněna na koncích dvou kolmých trubek, nazývaných ramena detektoru. Tendex čáry gravitačních vln natahují jedno rameno, zatímco stlačují druhé a pak naopak stlačují první a natahují druhé. A tak znovu a znovu. Jak se délka ramen periodicky mění, zrcadla se vzájemně pohybují a tyto pohyby jsou sledovány pomocí laserových paprsků způsobem zvaným interferometrie. Odtud název LIGO: Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.
Řídicí centrum LIGO, odkud posílají povely do detektoru a sledují přijímané signály. Gravitační detektory LIGO jsou umístěny v Hanfordu ve Washingtonu a Livingstonu v Louisianě. Fotografie z knihy „Interstellar. Věda v zákulisí"
Nyní je LIGO mezinárodním projektem, do kterého se zapojilo 900 vědců z rozdílné země se sídlem na California Institute of Technology.
Zakřivená strana vesmíru
Černé díry, červí díry, singularity, gravitační anomálie a dimenze vyšších řádů jsou spojeny se zakřivením prostoru a času. Proto je Kip Thorne nazývá „zkroucenou stranou vesmíru“. Lidstvo má stále velmi málo experimentálních a pozorovacích dat ze zakřivené strany Vesmíru. To je důvod, proč věnujeme tolik pozornosti gravitačním vlnám: jsou vyrobeny ze zakřiveného prostoru a poskytují nám nejdostupnější způsob, jak prozkoumat zakřivenou stranu.
Představte si, že byste oceán viděli, jen když byl klid. O proudech, vírech a bouřkových vlnách byste nevěděli. To připomíná naše současné znalosti o zakřivení prostoru a času.
O tom, jak se zakřivený prostor a zakřivený čas chovají „v bouři“ – kdy prudce kolísá tvar prostoru a kdy kolísá rychlost času, nevíme téměř nic. To je neuvěřitelně lákavá hranice poznání. Vědec John Wheeler pro tyto změny vymyslel termín „geometrodynamika“.
V oblasti geometrodynamiky je zajímavá zejména srážka dvou černých děr.
Srážka dvou nerotujících černých děr. Model z knihy „Interstellar. Věda v zákulisí"
Obrázek nahoře ukazuje okamžik, kdy se srazí dvě černé díry. Právě taková událost umožnila vědcům zaznamenat gravitační vlny. Tento model je postaven pro nerotující černé díry. Nahoře: oběžné dráhy a stíny děr, jak je vidět z našeho vesmíru. Uprostřed: zakřivený prostor a čas, jak je vidět z objemu (multidimenzionální hyperprostor); Šipky ukazují, jak se prostor podílí na pohybu, a měnící se barvy ukazují, jak se ohýbá čas. Dole: Tvar emitovaných gravitačních vln.
Gravitační vlny z velkého třesku
Přes Kip Thorne. „V roce 1975 Leonid Grischuk, můj dobrý přítel z Ruska, učinil senzační prohlášení. Řekl, že v okamžiku velkého třesku vzniklo mnoho gravitačních vln a mechanismus jejich vzniku (dříve neznámý) byl následující: kvantové fluktuace (náhodné výkyvy – pozn. red.) gravitační pole během velkého třesku byla značně zesílena počáteční expanzí vesmíru a stala se tak původními gravitačními vlnami. Pokud by byly tyto vlny detekovány, mohly by nám říci, co se stalo při zrodu našeho vesmíru."
Pokud vědci najdou prvotní gravitační vlny, budeme vědět, jak vznikl vesmír.
Lidé vyřešili daleko všechny záhady vesmíru. Je toho ještě víc.
V následujících letech, jak se naše chápání Velkého třesku zlepšovalo, bylo zřejmé, že tyto prvotní vlny musely být silné na vlnových délkách úměrných velikosti. viditelný vesmír, tedy v délkách miliard světelných let. Dokážete si představit, kolik to je?... A na vlnových délkách, které detektory LIGO pokrývají (stovky a tisíce kilometrů), budou vlny s největší pravděpodobností příliš slabé na to, aby je bylo možné rozpoznat.
Tým Jamieho Bocka sestrojil přístroj BICEP2, pomocí kterého byla objevena stopa původních gravitačních vln. Zařízení umístěné na severním pólu je zde zobrazeno za soumraku, který se tam vyskytuje jen dvakrát do roka.
Zařízení BICEP2. Obrázek z knihy Interstellar. Věda v zákulisí"
Je obklopena štíty, které chrání zařízení před radiací z okolní ledové pokrývky. V pravém horním rohu je objevena stopa v kosmickém mikrovlnném záření pozadí - polarizační obrazec. Čáry elektrické pole směrováno krátkými lehkými tahy.
Stopa počátku vesmíru
Na počátku devadesátých let si kosmologové uvědomili, že tyto gravitační vlny, dlouhé miliardy světelných let, musely zanechat jedinečnou stopu v elektromagnetických vlnách, které vyplňují vesmír – takzvané kosmické mikrovlnné pozadí, neboli kosmické mikrovlnné záření na pozadí. Tím začalo hledání svatého grálu. Pokud totiž odhalíme tuto stopu a odvodíme z ní vlastnosti původních gravitačních vln, můžeme zjistit, jak se Vesmír zrodil.
V březnu 2014, když Kip Thorne psal tuto knihu, tým Jamieho Boka, kosmologa z Caltechu, jehož kancelář je hned vedle Thorneovy, konečně objevil tuto stopu v kosmickém mikrovlnném záření na pozadí.
To je naprosto úžasný objev, ale je tu jeden kontroverzní bod: stopa, kterou našel Jamieho tým, mohla být způsobena něčím jiným než gravitačními vlnami.
Pokud se skutečně najde stopa po gravitačních vlnách, které vznikly během velkého třesku, znamená to, že došlo ke kosmologickému objevu na úrovni, která se děje snad jednou za půl století. Dává vám šanci dotknout se událostí, které nastaly biliontinu z biliontiny biliontiny sekundy po zrození vesmíru.
Tento objev potvrzuje teorie, že expanze Vesmíru v tu chvíli byla extrémně rychlá, řečeno slangem kosmologů – inflační rychle. A ohlašuje příchod nové éry v kosmologii.
Gravitační vlny a mezihvězdné
Včera na konferenci o objevu gravitačních vln Valery Mitrofanov, vedoucí moskevské spolupráce vědců LIGO, která zahrnuje 8 vědců z Moskevské státní univerzity, poznamenal, že děj filmu „Interstellar“, ačkoli fantastický, není takový. daleko od reality. A to vše proto, že Kip Thorne byl vědeckým konzultantem. Sám Thorne vyjádřil naději, že věří v budoucí pilotované lety k černé díře. Možná k nim nedojde hned, jak bychom si přáli, ale dnes je to mnohem reálnější, než tomu bylo dříve.
Není příliš daleko den, kdy lidé opustí hranice naší galaxie.
Událost rozvířila mysl milionů lidí. Notoricky známý Mark Zuckerberg napsal: „Objev gravitačních vln je největším objevem v moderní věda. Albert Einstein je jedním z mých hrdinů, a proto jsem si ten objev vzal tak osobně. Před sto lety v rámci Všeobecné teorie relativity (GTR) předpověděl existenci gravitačních vln. Jsou však tak malé, že je lze zjistit, že je začali hledat v původu událostí, jako je Velký třesk, hvězdné exploze a srážky černých děr. Když vědci analyzují získaná data, perfektní Nový vzhled do vesmíru. A možná to osvětlí vznik vesmíru, zrod a vývoj černých děr. Je velmi inspirující přemýšlet o tom, kolik životů a úsilí bylo vynaloženo na odhalení této záhady vesmíru. Tento průlom byl možný díky talentu skvělých vědců a inženýrů, lidí různé národnosti, stejně jako nejnovější počítačové technologie, které se objevily teprve nedávno. Gratulujeme všem zúčastněným. Einstein by na tebe byl hrdý."
Toto je řeč. A to je člověk, kterého věda prostě zajímá. Lze si představit, jaká bouře emocí zaplavila vědce, kteří přispěli k objevu. Zdá se, že jsme byli svědky nové éry, přátelé. To je úžasné.
P.S.: Líbilo se vám to? Přihlaste se k odběru našeho newsletteru o horizontech. Jednou týdně zasíláme vzdělávací dopisy a poskytujeme slevy na knihy MYTH.
Sto let po teoretické předpovědi Alberta Einsteina v rámci obecné teorie relativity se vědcům podařilo potvrdit existenci gravitačních vln. Začíná éra zcela nové metody pro studium hlubokého vesmíru – astronomie gravitačních vln.
Existují různé objevy. Existují náhodné, v astronomii jsou běžné. Neexistují zcela náhodné, vzniklé v důsledku důkladného „pročesání oblasti“, jako je objev Uranu Williamem Herschelem. Existují serendipální - když hledali jednu věc a našli jinou: například objevili Ameriku. Ale plánované objevy zaujímají ve vědě zvláštní místo. Vycházejí z jasné teoretické predikce. To, co se předpovídá, se hledá především za účelem potvrzení teorie. Mezi takové objevy patří objev Higgsova bosonu ve Velkém hadronovém urychlovači a detekce gravitačních vln pomocí laserového interferometru observatoře gravitačních vln LIGO. Ale abyste mohli zaregistrovat nějaký jev předpovídaný teorií, musíte docela dobře rozumět tomu, co přesně a kde hledat, a také jaké nástroje jsou k tomu potřeba.
Gravitační vlny jsou tradičně nazývány predikcí obecné teorie relativity (GTR), a je tomu tak skutečně (ačkoli nyní takové vlny existují ve všech modelech, které jsou alternativní nebo komplementární k GTR). Vznik vln je způsoben konečností rychlosti šíření gravitační interakce (v obecné relativitě je tato rychlost přesně rovna rychlosti světla). Takové vlny jsou poruchami v časoprostoru šířícími se ze zdroje. Aby gravitační vlny nastaly, zdroj musí pulzovat nebo se pohybovat zrychlenou rychlostí, ale určitým způsobem. Dejme tomu, že pohyby s dokonalou sférickou nebo válcovou symetrií nejsou vhodné. Takových zdrojů je poměrně hodně, ale často mají malou hmotnost, nedostatečnou pro generování silného signálu. Gravitace je koneckonců nejslabší ze čtyř základních interakcí, takže je velmi obtížné gravitační signál zaregistrovat. Pro registraci je navíc nutné, aby se signál v čase rychle měnil, to znamená, že měl dostatečně vysokou frekvenci. V opačném případě jej nebudeme moci zaregistrovat, protože změny budou příliš pomalé. To znamená, že objekty musí být také kompaktní.
Zpočátku vyvolaly velké nadšení výbuchy supernov, ke kterým dochází v galaxiích, jako je ta naše, každých několik desetiletí. To znamená, že pokud dokážeme dosáhnout citlivosti, která nám umožňuje vidět signál ze vzdálenosti několika milionů světelných let, můžeme počítat s několika signály za rok. Později se ale ukázalo, že prvotní odhady síly uvolňování energie v podobě gravitačních vln při výbuchu supernovy byly příliš optimistické a takto slabý signál by bylo možné detekovat pouze v případě, že by v naší Galaxii vypukla supernova.
Další možností pro masivní kompaktní objekty, které se rychle pohybují, jsou neutronové hvězdy nebo černé díry. Můžeme vidět buď proces jejich utváření, nebo proces vzájemné interakce. Poslední fáze kolapsu hvězdných jader vedoucí ke vzniku kompaktních objektů, stejně jako poslední fáze sloučení neutronových hvězd a černých děr, trvají řádově několik milisekund (což odpovídá frekvenci stovky hertzů) - přesně to, co je potřeba. V tomto případě se uvolňuje velké množství energie, včetně (a někdy hlavně) ve formě gravitačních vln, protože masivní kompaktní tělesa provádějí určité rychlé pohyby. To jsou naše ideální zdroje.
Pravda, supernovy v Galaxii vybuchnou jednou za několik desetiletí, sloučení neutronových hvězd nastane jednou za několik desítek tisíc let a černé díry se vzájemně spojí ještě méně často. Signál je ale mnohem výkonnější a jeho charakteristiky lze poměrně přesně vypočítat. Nyní však potřebujeme být schopni vidět signál ze vzdálenosti několika set milionů světelných let, abychom pokryli několik desítek tisíc galaxií a detekovali několik signálů za rok.
Po rozhodnutí o zdrojích začneme navrhovat detektor. Chcete-li to provést, musíte pochopit, co dělá gravitační vlna. Aniž bychom zacházeli do detailů, můžeme říci, že průchod gravitační vlny způsobuje slapovou sílu (běžný měsíční nebo sluneční příliv jsou samostatný jev a gravitační vlny s tím nemají nic společného). Můžete si tedy vzít například kovový válec, vybavit jej senzory a studovat jeho vibrace. Není to těžké, proto se takové instalace začaly vyrábět před půl stoletím (jsou dostupné i v Rusku, nyní je v podzemní laboratoři Baksan instalován vylepšený detektor vyvinutý týmem Valentina Rudenka ze SAI MSU). Problém je, že takové zařízení uvidí signál bez jakýchkoli gravitačních vln. Existuje mnoho zvuků, se kterými je obtížné se vypořádat. Detektor je možné (a bylo hotovo!) nainstalovat pod zem, pokusit se jej izolovat, ochladit nízké teploty, ale přesto, aby byla překročena hladina hluku, by byl zapotřebí velmi silný signál gravitační vlny. Ale mocné signály přicházejí zřídka.
Proto byla volba učiněna ve prospěch jiného schématu, které v roce 1962 předložili Vladislav Pustovoit a Michail Herzenstein. V článku publikovaném v JETP (Journal of Experimental and Theoretical Physics) navrhli použít k detekci gravitačních vln Michelsonův interferometr. Laserový paprsek probíhá mezi zrcadly ve dvou ramenech interferometru a poté se sčítají paprsky z různých ramen. Analýzou výsledku interference paprsku lze měřit relativní změnu délek ramen. Jedná se o velmi přesná měření, takže pokud porazíte šum, můžete dosáhnout fantastické citlivosti.
Na počátku 90. let bylo rozhodnuto postavit několik detektorů využívajících tento design. Jako první byly do provozu uvedeny relativně malé instalace, GEO600 v Evropě a TAMA300 v Japonsku (čísla odpovídají délce ramen v metrech) pro testování technologie. Ale hlavními hráči měly být instalace LIGO v USA a VIRGO v Evropě. Velikost těchto přístrojů se již měří v kilometrech a konečná plánovaná citlivost by měla umožnit vidět desítky, ne-li stovky událostí ročně.
Proč je potřeba více zařízení? Primárně pro křížové ověření, protože tam jsou místní zvuky (např. Simultánní detekce signálu na severozápadě Spojených států a Itálie by byla výborným důkazem jeho vnějšího původu. Ale je tu ještě druhý důvod: detektory gravitačních vln velmi špatně určují směr ke zdroji. Pokud je ale od sebe několik detektorů, bude možné směr indikovat poměrně přesně.
Laseroví obři
Ve své původní podobě byly detektory LIGO postaveny v roce 2002 a detektory VIRGO v roce 2003. Podle plánu se jednalo pouze o první etapu. Všechny instalace fungovaly několik let a v letech 2010-2011 byly zastaveny pro úpravy, aby pak dosáhly plánované vysoké citlivosti. Detektory LIGO byly první v provozu v září 2015, VIRGO by se měly připojit v druhé polovině roku 2016 a od této fáze nám citlivost umožňuje doufat, že zaznamenáme alespoň několik událostí ročně.
Po zahájení provozu LIGO byla očekávaná rychlost prasknutí přibližně jedna událost za měsíc. Astrofyzici předem odhadli, že první očekávané události budou sloučení černých děr. To je způsobeno skutečností, že černé díry jsou obvykle desetkrát těžší než neutronové hvězdy, signál je silnější a je „viditelný“ z velké vzdálenosti, což více než kompenzuje nižší rychlost událostí na galaxii. Naštěstí jsme nemuseli čekat dlouho. 14. září 2015 obě instalace zaregistrovaly téměř identický signál s názvem GW150914.
S poměrně jednoduchou analýzou lze získat data, jako jsou hmotnosti černých děr, síla signálu a vzdálenost ke zdroji. Hmotnost a velikost černých děr spolu souvisí velmi jednoduchým a dobře známým způsobem a z frekvence signálu lze okamžitě odhadnout velikost oblasti uvolňování energie. V tomto případě velikost naznačovala, že ze dvou děr o hmotnosti 25-30 a 35-40 hmotností Slunce vznikla černá díra o hmotnosti více než 60 hmotností Slunce. Se znalostí těchto dat lze získat celkovou energii výbuchu. Téměř tři sluneční hmoty byly přeměněny na gravitační záření. To odpovídá svítivosti 1023 slunečních jasů – přibližně stejnému množství, jaké za tuto dobu (setiny sekundy) vyzařují všechny hvězdy ve viditelné části Vesmíru. A ze známé energie a velikosti měřeného signálu se získá vzdálenost. Velká hmota sloučených těles umožnila zaregistrovat událost, ke které došlo ve vzdálené galaxii: signálu trvalo přibližně 1,3 miliardy let, než se k nám dostal.
Podrobnější analýza umožňuje objasnit hmotnostní poměr černých děr a pochopit, jak se otáčely kolem své osy, a také určit některé další parametry. Signál ze dvou instalací navíc umožňuje přibližně určit směr výbuchu. Přesnost zde bohužel zatím není příliš vysoká, ale se zprovozněním aktualizované PANNY se zvýší. A za pár let začne japonský detektor KAGRA přijímat signály. Poté bude v Indii smontován jeden z detektorů LIGO (původně byly tři, jedna z instalací byla duální) a očekává se, že bude zaznamenáno mnoho desítek událostí ročně.
Éra nové astronomie
V tuto chvíli je nejdůležitějším výsledkem práce LIGO potvrzení existence gravitačních vln. Úplně první výbuch navíc umožnil zlepšit omezení hmotnosti gravitonu (v obecné relativitě má nulovou hmotnost) a také výrazněji omezit rozdíl mezi rychlostí šíření gravitonu a rychlostí světlo. Vědci ale doufají, že již v roce 2016 se jim pomocí LIGO a VIRGO podaří získat spoustu nových astrofyzikálních dat.
Za prvé, data z observatoří gravitačních vln poskytují nový způsob studia černých děr. Jestliže dříve bylo možné pozorovat toky hmoty pouze v blízkosti těchto objektů, nyní můžete přímo „vidět“ proces slučování a „uklidňování“ vzniklé černé díry, jak kolísá její horizont a dostává svůj konečný tvar ( určeno rotací). Pravděpodobně až do objevení Hawkingova vypařování černých děr (tento proces zatím zůstává hypotézou) poskytne studium fúzí lepší přímé informace o nich.
Za druhé, pozorování sloučení neutronových hvězd poskytnou mnoho nových, naléhavě potřebných informací o těchto objektech. Poprvé budeme moci studovat neutronové hvězdy tak, jak fyzici studují částice: sledovat, jak se srážejí, abychom pochopili, jak uvnitř fungují. Záhada struktury nitra neutronových hvězd trápí astrofyziky i fyziky. Naše chápání jaderné fyziky a chování hmoty při ultravysokých hustotách je neúplné, aniž bychom tento problém vyřešili. Je pravděpodobné, že klíčovou roli zde bude hrát pozorování gravitačních vln.
Předpokládá se, že sloučení neutronových hvězd je zodpovědné za krátké kosmologické záblesky gama záření. Ve vzácných případech bude možné současně pozorovat událost jak v oblasti gama, tak na detektorech gravitačních vln (vzácnost je způsobena tím, že za prvé je signál gama koncentrován do velmi úzkého paprsku a není vždy namířené na nás, ale za druhé nezaregistrujeme gravitační vlny z velmi vzdálených událostí). Zřejmě to bude trvat několik let pozorování, abyste to mohli vidět (i když jako obvykle můžete mít štěstí a stane se to dnes). Pak budeme moci mimo jiné velmi přesně porovnávat rychlost gravitace s rychlostí světla.
Laserové interferometry tak budou společně fungovat jako jeden gravitační vlnový dalekohled, který přinese nové poznatky jak astrofyzikům, tak fyzikům. No, dříve nebo později bude udělena zasloužená Nobelova cena za objev prvních výbuchů a jejich analýzu.
