Gravitační vlny

/ 07.12.2024 /

Prakticky ve všech přednáškách Ing. Petra Dvořáka, Ph.D., dnes Viewegha, které zazněly ve Ždánicích, se jako červená nit vine jméno Alberta Einsteina. A ani tato přednáška nebyla výjimkou. Gravitační vlny totiž předpověděl právě Albert Einstein ve své teorii gravitace. Přesně na den přesně před 109 lety, v roce 1915, publikoval článek, v němž popsal rovnice pole gravitace, což dnes nazýváme obecnou teorií relativity. Popsal zde, že se prostor i čas mohou deformovat a gravitace je v podstatě míra zakřivení. A důvodem zakřivení časoprostoru je energie, což je v podstatě ekvivalent hmotnosti. Celé se to docela těžko představuje, protože časoprostor je čtyřrozměrná věc. Naštěstí si však můžeme pomoci tím, že si jeden rozměr odmyslíme, takže připustíme, že prostor je jenom dvourozměrná plocha zdeformovaná do třetího rozměru. A v tomto světě se potom vše chová naprosto přirozeně, podobně jako kulička, kterou pustíme do zvlněné plochy. Jenže sami zakřivení časoprostoru v praktickém životě nijak nepociťujeme. V příslušné rovnici se totiž nachází například rychlost světla umocněná na čtvrtou ve jmenovateli, takže abychom důsledky zakřivení časoprostoru mohli skutečně reálně zaznamenat, musíme pracovat s velice hmotnými tělesy, jako jsou například hvězdy. A gravitační vlnu získáme tak, že zatřeseme například s hvězdou. Platí, že čím hmotnější bude objekt, tím větší bude vlna. Gravitační vlnu mohou vyvolat například dvě velmi hmotné hvězdy, nebo dvě černé díry, které kolem sebe rychle krouží. Hvězda, která je v klidu gravitační vlnu nevytvoří i kdyby byla sebehmotnější, podobně jako sebevětší loď nevytvoří vlnu, když stojí na místě. Příčinou vzniku vln je pohyb. Albert Einstein předpověděl, že gravitační vlny jsou 4D příčné vlny, šířící se rychlostí světla, které prochází prostorem prakticky bez ohledu na přítomnost hmoty a které mají neuvěřitelně malou amplitudu, jen asi tisícinu průměru protonu. Proto Einstein rovnou zavrhl možnost jejich detekce, nicméně v tomto se zmýlil, dnes již ku podivu k dispozici dostatečně citlivé detektory máme! Štěstí pro možnost detekce gravitačních vln spočívá také v tom, že se šíří téměř všesměrově od místa vzniku a k možnosti jejich detekce přispívá ještě skutečnost, že jejich intenzita neklesá se čtvercem vzdálenosti, jako u elektromagnetických vln, ale jen lineárně. Tím pádem je můžeme detekovat na obrovské, prakticky kosmologické vzdálenosti.  Gravitační vlny dokáží také přenášet energii a hybnost, což vede k velmi pomalému přibližování rychle rotujících binárních systémů. Gravitační vlny mají podobně jako elektromagnetické záření, různé vlnové délky. Například rychlé oscilace v řádu milisekund způsobují rychle rotující dvojice hmotných neutronových hvězd, černých děr, nebo výbuchy supernov. Oscilace v sekundách mohou vyvolávat děje související se superhmotnými černými děrami v jádrech galaxií. Srážky samotných galaxií generují gravitační vlny s délkou tisíců až milionů světelných let. A s periodou miliard let mohou souviset projevy kvantových fluktuací celého vesmíru, např. inflační rozepnutí. Obecně platí, že čím je perioda delší, tím jsou gravitační vlny větší a ty nejdelší jsou zřejmě také velmi veliké, jenže je bohužel detekovat neumíme právě kvůli jejich extrémně dlouhé periodě. Je to stejný problém, jako kdybychom chtěli v krátkém čase detekovat vlnu na moři, vysokou třebas i 100 metrů, kdyby však byla několik tisíc kilometrů dlouhá... V současnosti jsme schopni zachytit rychlé milisekundové vlny pomocí dvou amerických pozemních interferometrů LIGO, evropského Virgo a japonského KAGRA, přičemž se plánuje výstavba LIGO India a evropského trojúhelníkového detektoru nové generace „Einstein telescope“. V roce 2034 se plánuje vypuštění vesmírného interferometru LISA, se stranou trojúhelníku dlouhou 2 500 000 km, který by měl být schopen zachytit gravitační vlny s periodou řádově sekund až hodin. A pomocí radioteleskopů se dnes již přes 15 let sleduje asi 67 pulsarů, přičemž přesným časováním jejich pulsů jsme schopni detekovat gravitační vlny s periodou řádově roky. Byla už publikovaná práce o detekci vlny s periodou 12 let.

Sledováním gravitačních vln se dozvídáme spoustu informací o vesmíru, které bychom se jinak neměli šanci dozvědět jiným způsobem. Podařilo se nám dokonce zaznamenat i případy srážek neutronových hvězd a najít i optický protějšek tohoto objektu, kterému se říká kilonova. Právě v důsledku takovýchto srážek se ve vesmíru tvoří většina chemických prvků těžších než molybden a díky kterým konec konců můžeme i my sami ve vesmíru žít! Podařilo se prokázat existenci dříve neznámých kompaktních objektů s hmotností 2 – 5 hmotností Slunce a z velkého množství pozorovaných srážek dvojic černých děr se prokázalo, že supermasivní černé díry v jádrech galaxií vznikají postupným slučováním menších černých děr. Dnes se detekce gravitačních vln už pomalu stává rutinní záležitostí a detekujeme je prakticky každý týden. Se současnou technologií se s přesností detekce vln dostáváme asi o dva řády dál, než jak je předpověděl Einstein, tedy přibližně na stěží uvěřitelnou stotisícinu průměru protonu! Gravitační vlny jsou dalším oknem do vesmíru, které se lidstvu podařilo otevřít. Stojíme teprve na začátku zkoumání, které se Einsteinovi zdálo nemožné, a spousta báječných objevů na nás ještě určitě čeká.

Přednáška začala velice nestandardně. Jednak před čtrnácti dny přijal náš přednášející jméno své ženy, takže jsme nyní přivítali nově Ing. Petra Viewegha, Ph.D. a přednáška navíc proběhla o týden později, protože v původně avizovaném termínu přijela přednášejícímu domů jeho paní s malým druhým potomkem. Gratulujeme Petrovi, že jako správný fyzik respektuje zákon zachování a malému cvrčkovi z celého srdce přejeme, ať se mu na té naší malé modré kuličce líbí!

Ing. Petr Viewegh, Ph.D. má tu vzácnou schopnost vysvětlovat i relativně složité fyzikální věci velice přístupnou formou. Díky tomu jsou jeho přednášky nejen ve Ždánicích velice oblíbené.

Einsteinova představa gravitačních vln.

Bylo nám ctí uvítat na ždánické hvězdárně Ing. Petra Viewegha, Ph.D. a děkujeme mu za jeho přízeň.

Ať žijí velcí i malí Vieweghové!!!