V listopadu roku 1915 prezentuje Albert Einstein teorii gravitace, která vešla ve všeobecnou známost jako obecná teorie relativity (OTR). Dle této teorie je svět kolem nás časoprostorem, nebo chcete-li prostoročasem. Prostoročas je pak deformován vlivem hmotných těles, přičemž tato deformace, jejíž projevy pozorujeme jako gravitaci, diktuje tělesům, jak se mohou pohybovat, čímž dochází k vzájemnému ovlivňování. Během června roku 1916, tedy zhruba půl roku po zveřejnění OTR, vydal Einstein článek, v němž ze své teorie vyvodil možnost existence gravitačních vln, o kterých jsme toho v poslední době mohli zaslechnou mnoho. Pojďte s námi nahlédnout pod pokličku gravitačních vln!

Jak si představit gravitační vlnění?

Pro ilustraci proveďme srovnání s nějakým známým vlněním. Asi každý si dokáže představit vlny na vodě. Uvažujme zcela klidnou vodní hladinu a ponořme do ní ruku. Od místa, kde jsme ruku vložili, se začnou do všech stran šířit vlnky. Budeme-li rukou pohybovat nahoru a dolů, hladina se nezklidní a vlnky se budou šířit stále.

Dále si představme, že kousek od místa, kam jsme ruku vložili, plave na hladině list. Dokud je hladina klidná, je klidný i list. Ve chvíli, kdy se k němu dostanou vlnky, začne se společně s nimi pohybovat. Dalším příkladem je dvojice kladného a záporného náboje tvořící dipól, který rotuje kolem svého středu. Tím budí elektromagnetické vlnění, na které by reagovaly nabité částice.

Gravitační vlnění a deformace časoprostoru

Pohybuje-li se hmotný objekt, budí gravitační vlnění. Lze si představit, že gravitační vlna „nese“ deformaci prostoročasu. Uvažujeme-li dvě částice v jisté vzdálenosti od sebe, pak procházející gravitační vlna deformací prostoročasu zkrátí, či prodlouží, vzdálenost mezi nimi. Teoreticky by mohlo být pozorování gravitačních vln snadné a dalo by se i uvažovat o jejich využití pro konání práce či přenášení informace. Prakticky je však situace značně složitější, neboť gravitace je nejslabší ze všech známých sil, dokonce o mnoho řádů, a gravitační vlnění je rovněž velmi slabé, navíc klesající se vzdáleností. Působení gravitačních vln tak může být snadno zastíněno jinými vlivy.

Jedním z důležitých pojmů u vlnění je amplituda. V kontextu gravitačních vln odpovídá amplituda poměru změny vzdálenosti těles ku původní vzdálenosti. V OTR byly spočítány odhady amplitud pro nejvýznamnější předpokládané zdroje gravitačních vln měřitelné na Zemi. Nejvyšší odhadované (a nejspíš optimistické) hodnoty přitom odpovídají amplitudě řádu 10⁻¹⁸. Pro představu, vzdálenost Země a Měsíce je zhruba 4.10⁸ m, což by znamenalo, že vlivem gravitačních vln by se jejich vzdálenost změnila o ~10⁻⁸ m, což je méně než mikrometr. (V současné době přitom dokážeme tuto vzdálenost měřit nejlépe v řádu milimetrů.)

Pro detekci potřebujeme opravdu hmotné objekty, Slunce by nestačilo

Přestože je gravitace silou nejslabší, je dominantní silou ve vesmíru a obzvláště velkou roli hraje pro velmi hmotné objekty. Právě pro opravdu hmotné objekty budící silné gravitační pole je tedy nejpravděpodobnější možnost detekce. Největší naděje:

• výbuch supernovy v naší Galaxii; ten by mohl odpovídat zmíněné hodnotě 10⁻¹⁸ , jedná se však  o relativně vzácný jev (uvádí se ~ jednou za 300 let). 
• výbuch supernovy v blízkých galaxiích (větší šance, kvůli dálce však slabší signál)
• splynutí dvou černých děr
• srážka dvou neutronových hvězd

Záhadné vlny pomohlo odhalit pozorování pulsaru

První pozorování podporující existenci gravitačních vln, byla díky objevu binárního pulsaru nesoucího katalogové označení PSR 1913+16. Jedná se o dvě rotující neutronové hvězdy, tedy objekty poměrně malé a značně hmotné. Tyto objekty kolem sebe obíhají po spirálách, přibližují se, vzájemná doba oběhu se zkracuje a dochází ke ztrátě jistého množství energie.

Na videu můžete spatřit splynutí černých děr

Výpočty prováděné na základně OTR, dle kterých je ztracená energie odnášena právě gravitačním vlněním, předpovídající vývoj systému dávají značnou shodu s pozorováním. Jedná se tak o nepřímý důkaz jejich existence. Protože tyto výpočty byly opakovány pro mnoho dalších objevených systémů a díky pozorování byla vždy potvrzena předpověď OTR, mnozí jej považují za důkaz přímý a dostatečný. (Pokud by to neplatilo, předpověď OTR by se měla rozcházet s pozorováním.)

Co přinese detekce gravitačních vln? Možná pohled na vznik vesmíru!

Proč tedy detekovat gravitační vlny? Začněme tím, že by se jednalo o další potvrzení pravdivosti jejich existence, stejně jako o další úspěšné testování samotné teorie obecné relativity. Především by se ovšem otevřely docela nové možnosti zkoumání vesmíru. Mohly by se vyjevit dosud neznámé skutečnosti, mohlo by být možné sledovat blíže například kolapsy hvězd a jiné „katastrofické“ události.

Velmi slibná je pak možná detekce reliktního gravitačního vlnění, díky kterému by bylo možné opět poznat více z počátku a vývoje vesmíru. Díky reliktnímu elektromagnetickému záření je možné „pozorovat“ vesmír v čase zhruba 400 000 let po jeho vzniku. Blíže k počátku to však již není možné, neboť byl vesmír v silně ionizované podobě, ze které elektromagnetické vlnění prakticky nemohlo uniknout. Naproti tomu toto nijak neovlivnilo vlnění gravitační a díky němu by mohlo být možné pozorovat vesmír hrubým odhadem až do ~ 10⁻³² sekund po jeho počátku.

Měření je složité a rušivých vlivů mnoho

Snaha o přímé měření gravitačního vlnění je však doprovázena mnoha úskalími. Jak již bylo řečeno, projevy jsou slabé a detekční zařízení musí být proto velice citlivé. S tím však souvisí další problém. Kvůli vysoké citlivosti je kladen mimořádný nárok na odfiltrování rušivých vlivů, kterými mohou být projíždějící auto, mořský příliv, procházející osoby, seismická aktivita, a mnohé další. Také musí být zajištěno odfiltrování různých druhů záření. Velmi důležitou stránkou je také následná analýzy výsledků. S tím souvisí mimo jiné značně rozvinuté numerické metody pro obecnou relativitu.

Joseph Weber a jeho detektor

První detektor gravitačních vln je spojen se jménem Joseph Weber. Jeho detektor byl zjednodušeně řečeno tunový hliníkový rezonanční válec. Předpokládal zachycení gravitační vlny, která měla být zesílena v důsledku rezonance. Přestože projekt připadal mnoha lidem slibný a velké množství následovníků, kteří stále zdokonalovali detektor, dotáhlo citlivost až na hodnoty ~ 10⁻²⁷, detektor vlny nikdy nezaznamenal. Potíž je v tom, že detekce probíhá na jediné frekvenci. Pro srovnání postavte na stůl radio, nalaďte jej na jednu frekvenci a čekejte, až přijme signál.

LIGO detektory aneb jak vědci potvrdili gravitační vlnění

Nejslibnější metodu detekce představují interferometrické detektory, které dosahují značné přesnosti při určování změn vzdáleností. V současnosti je pak momentálně nejcitlivější (rozuměno schopen zachytit nejnižší amplitudu) dvojice detektorů LIGO v amerických státech Louisianě a Washingtonu, který byl po obsáhlé rekonstrukci uveden do provozu v minulém roce (2015).

LIGO, po rekonstrukci také označován jako aLIGO, kde a značí advanced, je interferometrem s dvěma vzájemně kolmými rameny, z nichž každé má délku 4 kilometrů. Měří se pomocí laseru, který dopadá na polopropustné zrcadlo, jímž je rozdělen na dva vzájemně kolmé svazky. Každý pak pokračuje jedním z ramen.

V těchto ramenech se nacházejí další dvě zrcadla. Jedno na konci ramene, které odrazí dopadající paprsek na zpáteční cestu. Druhé plní funkci rezonanční dutiny, kde se vlivem několikanásobného odrazu uměle zvýší dráha, již paprsek prochází, současně dochází k zesílení signálu. Tato zrcadla rovněž plní funkci testovacích těles, která by se měla „pohnout“ vlivem gravitačních vln. Respektive změnou vzájemné polohy zrcadel projde paprsek v jednom rameni rozdílnou vzdálenost oproti ramenu druhému, což se projeví při detekci.

Měření: Vakuum a optická soustava bez vibrací

Detektory LIGO jsou konstruovány tak, že pokud by oba paprsky prošly totožnou vzdáleností, při opětovném složení se paprsky vzájemně vyruší, tedy by nemělo být nic pozorováno. V případě, že se vzdálenost jednoho z ramen změní, se vracející paprsky setkají ve vzájemně posunuté fázi a bude detekován interferenční obrazec. V případě gravitační vlny se pak bude vzdálenost pro obě ramena střídavě zkracovat a prodlužovat, což způsobí opakované detekce, dokud vlna neprojde.

Aby byly co nejvíce potlačeny nežádoucí vlivy, je například důležité mít celé měřicí zařízení včetně 4 kilometrových ramen umístěné v co nejlepším vakuu. Právě na vytvoření potřebného vakua padla naprostá většina finančních prostředků. Dále musí být vyřešeny volné závěsy zrcadel – zrcadla se musí chovat jako volná tělesa, aby mohla na slabé vlny reagovat. Celá optická soustava musí mít kvalitní podložení tlumící vibrace přenášené půdou.

Schéma interferometrů LIGO – H1 v Hanfordu a L1 v Livingstonu – a jejich citlivost pro různé frekvence (Abbott, B. P. et al.; 10.1103/PhysRevLett.116.061102)

Po rekonstrukci bylo LIGO testováno  například tím, že blízko detektorů byla spuštěna sbíječka. Ukázalo se, že na měření to nemělo vliv. Důmyslným provedením a potlačením šumů detektory LIGO slibují citlivost až do řádu 10⁻²³.

Jeden nestačí: Druhý detektor musí nezávisle potvrdit výsledky

Mají-li být případné zaznamenané detekce důvěryhodné, je třeba mít pro ně vícero nezávislých potvrzení. To je jedním z důvodů, proč jsou zbudovány hned dva detektory LIGO ve vzdálenosti 3000 km od sebe. Tato vzdálenost má vyloučit lokální vlivy, které by mohly ovlivnit měření jednoho detektoru.

Zaznamenávají se případy, kdy je detekce dosaženo u obou detektorů. Gravitační vlnění pohybující se rychlostí světla projde druhým z detektorů ve směru svého šíření nepatrně později než prvním a rovněž by mělo být nepatrně slabší. Pro lepší potvrzení je pak příhodné, podaří-li se předpokládaný zdroj gravitačních vln pozorovat například pomocí optických pozorování. Tím je pak možné pomocí komplikovaných výpočtů určit, jaké vlny bychom měli na Zemi pozorovat.

Nobelova cena na obzoru? Šance jsou vysoké

Právě dvojice detektorů LIGO dle prohlášení na washingtonské konferenci skutečně detekovala gravitační vlny a to 14. září 2015 v 9:50:45 UTC. Objev byl hlášen o půl roku později právě z důvodů prověřování. Již dříve se stalo, že údajné gravitační vlny byly způsobeny jevem dočista jiným. Nyní se zdá, že gravitační vlny byly doopravdy člověkem poprvé úspěšně detekovány, za což se dá očekávat Nobelova cena.

Dokonalost a krása Einsteinovy teorie i po 100 letech

Detekované gravitační vlnění má pocházet z jevu splynutí dvou černých děr. Hmotnější z děr měla mít hmotnost odpovídající 36 Sluncím, druhá pak 29 Sluncím. Hmotnost výsledné černý díry by měla odpovídat 62 Sluncím, což je o 3 Slunce méně, než by odpovídalo součtu.

Splývání černých děr, průběh amplitudy a frekvence vln (Abbott, B. P. et al.; 10.1103/PhysRevLett.116.061102)

Tato „ztracená“ hmotnost byla vyzářena formou gravitačních vln, jejichž amplituda byla 10⁻²¹, které dokázaly detektory LIGO zaznamenat. Teoreticky vypočtené hodnoty přitom vykazují dobrou shodu s měřením. Po uvážení všech nejistot (nepřesnosti určení hmotností černých děr, vzdálenosti systému od Země, ...) výzkumníci uvádí 90% důvěryhodnost dat.

Zdá se, že výsledkům se dá věřit. Můžeme tak žasnout nad technickou vymožeností, které člověk dosahuje, a nad dokonalostí a krásou Einsteinovy teorie, která doposud odolala všem prověřováním, jimž byla vystavena. Nyní, po 100 letech od svého vzniku, se dočkala potvrzení další své předpovědi.

Nezbývá než čekat, jak se výzkum v oblasti gravitačních vln vyvine, co vše díky němu dokážeme objevit a jaká překvapení by nám mohl přinést nový chystaný vesmírný detektor LISA.