Co bylo odhaleno během deseti let výzkumu gravitačních vln?
Fyzika V roce 2015 byla poprvé detekována gravitační vlna, vlnění v prostoročasu způsobené srážkou dvou černých děr. Od té doby bylo zaznamenáno již 182 případů. Co jsme se tedy naučili?
Dne 14. září 2015, deset minut před jedenáctou hodinou, se fyzik Marco Drago z Max Planck Institutu pro gravitační fyziku v Hannoveru dostal do stavu úžasu. Na jeho počítači se objevila grafika, která byla nesporně rozpoznatelná: sinusová křivka, která se během dvou desetin sekundy rychle zintenzivňovala a poté náhle ustala: charakteristický „otisk prstu“ gravitační vlny.
Signál pocházel z detektoru gravitačních vln LIGO ve Spojených státech, který byl zapnutý jen pár hodin předtím. Poprvé v historii byla detekována gravitační vlna, vlnění prostoročasu, které vzniklo při srážce dvou černých děr.
Po důkladné kontrole byla pozorování 11. února 2016 publikována a byla pojmenována GW150914, podle „Gravitational Wave“ a data. Fyzika gravitačních vln, do té doby relativně neznámá oblast fyziky, se stala světovou událostí. V prosinci 2017 získali američtí fyzikové Kip Thorne, Barry Barish a Rainer Weiss Nobelovu cenu za fyziku za jejich roli v LIGO.
„Je to už deset let. Za těch deset let se toho hodně stalo: hodně věcí, které jsme neočekávali, ale také nedošlo k událostem, které jsme očekávali,“ říká Gijs Nelemans, astronom z Radboudovy univerzity v Nijmegenu. Nelemans byl, stejně jako Drago, členem spolupráce LIGO-Virgo, kolektivu amerických a evropských fyziků, kteří spolupracovali na této historické detekci.
První detekce gravitačních vln byla dlouho sledovaným cílem, ale také začátkem: poté, co pozornost utichla, pokračovali výzkumníci jako Nelemans v úsilí o vytváření stále lepších, citlivějších a spolehlivějších detektorů. V blízkosti Pisy v Itálii byla vybudována evropská detekční stanice Virgo, která umožňuje detekční měření ve třech dimenzích a přibližně určuje polohu srážky na obloze.
Detekce gravitačních vln se postupně hromadily a přivedly nás k katalogu 182 potvrzených srážek. Zde je pět věcí, které fyzici zjistili během deseti let lovu na gravitační vlny. A jedna přání pro budoucnost.
1. Gravitační vlny skutečně existují (a šíří se rychlostí světla)
Ve své obecné teorii relativity z roku 1915 popisuje Albert Einstein, jak prostor a čas nejsou jen nehybným jevištěm, na kterém se odehrávají skutečné přírodní jevy. Společně tvoří aktivní prvek, prostoročas, který se může deformovat, zakřivit a vlnit.
Tato vlnění prostoročasu, šířící se jako vlnky na rybníku, se nazývají gravitační vlny. Dlouho se fyzici domnívali, že takové vlny sice existují, ale nikdy je nebude možné změřit.
Ale to se změnilo při srážce dvou černých děr, extrémně hustých masových koncentrací, kterým ani světlo nemůže uniknout. Před tím, než se černé díry setkaly, obíhaly kolem sebe, jedna s hmotností 29 a druhá 36 krát větší než slunce, dlouhou dobu, stále rychleji a přibližujíc se k sobě.
Jejich pohyb extrémně deformoval prostoročas v jejich blízkosti a vyvolal silné gravitační vlny, které se šířily vesmírem. Spirálový tanec skončil srážkou, když se dvě černé díry spojily do jedné a emitovaly poslední pulz intenzivních gravitačních vln.
Po 1,3 miliardy let cestování dosáhly tyto vibrace Země v onen zářijový den, kdy byl detiktor gravitačních vln LIGO právě zapnut. LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) se skládá ze dvou obrovských zařízení s lasery, zrcadly a vakuovými trubicemi ve státech Washington a Louisiana. Každé zařízení obsahuje dvě čtyřkilometrové vakuové trubice, které jsou navzájem kolmé a tvoří tvar L. V těchto trubicích odrážejí paprsky intenzivního laserového světla o zrcadla, která jsou co nejméně vibrace-vyzařující.
Procházející gravitační vlna způsobila minimální houpání (o miliardtinu nanometru) těchto zrcadel, což se přeložilo do malé změny v kombinovaném laserovém světle. Tato změna, změřená citlivým světelným detektorem, byla oním očekávaným signálem gravitační vlny. Tak byla potvrzena jedna z posledních otevřených předpovědí Einsteinovy teorie.
Tři roky poté bylo zjištěno, že se vlny, jak se očekávalo, šíří rychlostí světla. Detekce dvou se srážejících neutronových hvězd v roce 2017 ukázala, že gravitační vlny dorazily na Zemi současně se světlem ze srážky.
2. Černé díry skutečně existují (a vesmír je jimi prosycen)
Deformace prostoročasu způsobují síly, které nazýváme gravitačními. Extrémní případ představuje černá díra, obrovská masová koncentrace, která vzniká, když těžká hvězda na konci svého života zkolabuje. Zkreslení prostoročasu je tak silné, že ani světlo nemůže uniknout.
Černé díry, původně považované za nesmyslné fantazie, byly ve 80. letech skutečně potvrzeny; srdce našeho Mléčné dráhy ukrývá černou díru, která je 4,1 milionu krát těžší než slunce. Tento monstrum, známé jako Sagittarius A*, není sice viditelné, ale jeho existenci dokazují pohyby hvězd v okolí. Také jiné galaxie mají v centru takto supertěžké černé díry.
Astrofyzici objevili desítky lehčích černých děr, s hmotností několika, nebo několika desítek slunečních hmot v tisících světelných letech vzdálenosti v naší galaxii, často tím, že deformují světlo z okolních hvězd.
Nejpřímější signál pocházející přímo od neviditelných nebeských těles však představovala detekce dvou se srážejících černých děr pomocí gravitačních vln, které při této srážce vyvinuly. Po roce 2015 se zjistilo, že dvojité černé díry, které kolem sebe obíhají, nejsou v univerzu žádnou vzácností.
3. Srážky neutronových hvězd jsou vzácné, bohužel
Dne 17. srpna 2017 detektory LIGO zachytily signál trvající více než sto sekund. Detaily měření GW170817 ukázaly, že došlo k srážce dvou hmotných těles o hmotnosti 1,46 a 1,27 sluneční hmoty ve vzdálenosti 140 milionů světelných let. To je příliš málo na to, aby šlo o černé díry. Tyto hmoty patří spíše k „neutronovým hvězdám“, extrémně těžkým a hustým zbytkům lehčích hvězd.
Neutronové hvězdy jsou tvořeny výhradně neutrony, částicemi jádra, které se nacházejí také v atomových jádrech. Lžička neutronové hvězdy váží 600 milionů tun, což je ekvivalentní 60 000 Eiffelovým věžím.
Na rozdíl od černých děr, srážející se neutronové hvězdy vysílají také elektromagnetické záření, především ve formě gama záření. Kosmické teleskopy pro gama záření Fermi a Integral tak hned zachytily signály. Další teleskopy, včetně Hubbleova teleskopu, pozorovaly rentgenové záření, světlo a rádiové záření zaměřily na zdroj.
„Mysleli jsme si: nyní to začíná,“ říká Nelemans. Detekce byla startem pro multimediální astrofyziku, ve které by se srážející tělesa detekovala nejen pomocí gravitačních vln, ale i viditelným světlem. Tím se snažili astronomové získat jasnější představu o tom, co se vlastně dělo.
Ale od toho dne v srpnu se oznamovalo ticho. Byly sice detekovány další srážející se neutronové hvězdy, ale s nimi spojené světlo bohužel nikoliv.
Nelemans: „To nás trochu překvapilo: již jsme viděli velmi mnoho dvojitých neutronových hvězd, takže jsme očekávali mnoho z toho. Ale o dvojitých černých dírách jsme vlastně nevěděli, zda existují. A nyní se ukazuje, že prakticky vidíme pouze černé díry.“
4. Černé díry o hmotnosti 30 slunečních hmot jsou nejčastější (a jiné srážející se objekty jsou příliš lehké nebo příliš těžké)
S téměř dvěma sty detekcemi se postupně zvyšuje možnost provádět statistiku s údaji. Ukazuje se například, že v rozložení hmotností černých děr je vrchol kolem 30 slunečních hmot.
Černé díry vznikají, když vyhaslé hvězdy těžší než pět slunečních hmot zkolabují. Čím těžší hvězda, tím těžší černá díra. Jak se však dostávají do párů? Začínají jako dvojhvězdy, nebo se setkají až po kolapsu? A mohou černé díry po srážce znovu narazit a tím se zvětšit? Podle modelů pro evoluci hvězd nemohou zkolabované hvězdy vytvářet černé díry těžší než 50 slunečních hmot. Těžší hvězdy se během kolapsu vyfouknou a nezanechávají nic.
Avšak některé z detekovaných černých děr se tím zdají nenechat znepokojovat. Dne 23. listopadu 2023 byla detekována srážka mezi černými dírami o hmotnosti 137 a 101 slunečních hmot, která vyprodukovala černou díru s hmotností 222 slunečních hmot, což je prozatímní rekord (ekvivalentní energii 16 slunečních hmot bylo emitováno ve formě gravitačních vln).
Takové pozorování podporuje scénář, který byl na začátku považován za nepravděpodobný, podle kterého černé díry postupně zhoustnou, když se opakovaně srážejí s jinými černými dírami. Nelemans poznamenává: „Dvě stě pozorování je ještě trochu málo pro kvalitní statistiku; skutečně bychom se měli dostat k tisíci.“
Další záhada: mezi detekovanými srážkami hmot má i hrstka objektů v rozsahu mezi 2 a 5 slunečními hmotnostmi. Tyto „masa gap“ objekty jsou příliš lehké na to, aby byly černými dírami, ale příliš těžké pro neutronové hvězdy. Co tedy jsou?
5. Černé díry se řídí Stephenem Hawkingem
Během deseti let se již citlivé detektory kontinuálně zlepšovaly. Zatímco poměr signálu k šumu v prvních detekcích byl kolem 10, 14. ledna 2025 byl zachycen velmi jasný signál s poměrem signálu k šumu 80. To umožňuje ještě hlouběji analyzovat signál a ověřit matematickou předpověď známého britského teoretického fyzika Stephena Hawkinga.
Hawking prokázal v roce 1971, že celkový povrch srážejících se černých děr nemůže klesnout, pouze se zvýšit. Tato teze byla pro GW140125 potvrzena s pravděpodobností 99,999 procenta, jak ukázali fyzici na podzim letošního roku.
6. Přání: něco zcela nového
Einsteinova teorie popisuje černé díry a gravitační vlny jako deformace a vlny v prostoročasu. Tato teorie se doposud ukazuje jako přesná, po všech detekcích černých děr. Nicméně teorie špatně zapadá do kvantové mechaniky, která popisuje fyziku nejmenších částic, jako jsou elementární částice.
Fyzici se snaží už několik desetiletí vyvinout logickou teorii kvantové gravitace, ve které by obě teorie harmonicky spolupracovaly. Dosud bez úspěchu.
Jedním z problémů je obtížnost pozorování fyzikálních jevů, kde hraje jak kvantová mechanika, tak obecná teorie relativity rozhodující roli.
Možná to pomohou vyřešit detektory gravitačních vln, říká Chris van den Broeck, teoretický fyzik na Utrecht University. „Jedna z kandidátských teorií, strunová teorie, popisuje černé díry jako hromadu miniaturních strun, nazývanou fuzzball.“ Takový fuzzball by mohl opět produkovat gravitace-vlny, které byly dříve pohlceny. „Takže jdeme také na takové gravitační vlny.“ Ale zatím jsme ještě nic neviděli.
Celé množství dalších předpovězených jevů také stále čeká na našem seznamu přání: od gravitačních vln z Velkého třesku až po srážky černých děr milionových slunečních hmot, které se nacházejí v centrech mnoha galaxií.
Pro tuto snahu jsou ve vývoji vylepšené verze LIGO a Virgo, japonského detektoru Kagra a také jsou plány na Einsteinovu teleskop, detektor gravitačních vln o délce ramen deseti kilometrů, který by mohl být vybudován bez rušení pod zemským povrchem a být citlivý na tisíce detekcí ročně. Možná umístění je v trojzemí v jižním Limburgu.
Evropská vesmírná agentura ESA plánuje v roce 2035 vypustit LISA (Laser Interferometer Space Antenna), gravitační detektor ve vesmíru ve formě tří satelitů, mezi kterými probíhá laserové paprsky o délce 2,5 milionu kilometrů.
„Objevili jsme nové věci. Bylo otevřeno nové okno do vesmíru, zcela nový obor,“ říká Gijs Nelemans, „ale vlastně je škoda, že jsme nenašli opravdu něco fundamentálně nového, něco, co by nikdo neočekával.“ Ale to se samozřejmě může ještě stát.
