Denník N

Slávny fyzik hovorí o veľkom objave – tvrdí, že sme zaznamenali gravitačné vlny

Čoraz viac sa medzi vedcami hovorí o tom, že namerali signál, ktorý by mohol znamenať detekciu gravitačných vĺn.

V poslednej dobe sa čoraz viac hromadia fámy, že vedci zaznamenali gravitačné vlny. Ich existenciu predpovedá všeobecná teória relativity.

Teóriu vytvoril Albert Einstein, len nedávno oslávila sto rokov. Hoci všeobecná teória relativity zachytáva svet v najväčšej pozorovateľnej škále, svoje uplatnenie našla aj v „každodennej“ technológii. Keď na svojej najbližšej ceste autom alebo prechádzke v horách použijete GPS navigáciu, spomeňte si, že tak robíte aj vďaka tejto teórii.

Vo všeobecnej teórii relativity prebiehajú úvahy o gravitačných vlnách zhruba nasledovne. Poznáme rozloženie hmoty a energie a chceme vypočítať, aká je geometria priestoru. Častým príkladom je úloha o hmotnej guli v pokoji, okolo ktorej vyzerá priestor podobne, ako keď ju položíte na napnutú rovnú posteľnú plachtu.

Keď sa priestor periodicky deformuje

Ak sa rozloženie hmoty mení v čase známym spôsobom, môže sa v čase meniť aj geometria samotného priestoru. Predstavme si napríklad teleso obiehajúce okolo iného telesa, napríklad Zem okolo Slnka. Gravitačnými vlnami nazývame to, keď sa priestor periodicky deformuje (podobne, ako sa deformuje hladina vody po vhodení kameňa). Táto deformácia sa potom šíri smerom od zdroja do celého priestoru, presne ako by to bolo na vodnej hladine.

V procese vlnenia sa niektoré parametre systému periodicky menia. Základnými charakteristikami vlnenia sú amplitúda a frekvencia.

Amplitúda je maximálna výchylka veličiny z rovnovážnej polohy. V prípade vlnenia na hladine vody je to maximálna výška vlny, ktorá sa na hladine vytvorí.

Amplitúda. Foto - Wikimedia Commons
Amplitúda. Foto – Wikimedia/cc

Frekvencia udáva, koľkokrát za sekundu sa v danom mieste zopakuje priebeh vlnenia. V prípade jazierka sa pozrime na ľubovoľný bod na pokojnej hladine, predstavme si tam napríklad položené pierko.

Keď k tomu bodu dorazí vlna, v istom momente bude v mieste pierka maximum vlny. Potom začne pierko klesať a po krátkom čase bude opäť na maxime vlny. Frekvencia potom udáva, koľkokrát za sekundu sa pierko nachádza na maxime vlny (pre jednoduchosť sme ako referenčný bod zvolili maximum vlny. V skutočnosti je to jedno, rovnako sme mohli vybrať minimum).

Obrázok znázorňuje vlny s rôznymi frekvenciami. Foto - Wikimedia Commons
Obrázok znázorňuje vlny s rôznymi frekvenciami. Foto – Wikimedia/cc

Všeobecná teória relativity pochádza z roku 1916, jej autorom je Albert Einstein. Je zatiaľ najlepšou teóriou gravitácie, akú máme. Opisuje súvis geometrie časopriestoru a rozloženia hmoty a energie v ňom.

Ako meriame gravitačné vlny

S pomocou tejto analógie môžeme navrhnúť spôsob, ako by sme gravitačné vlny merali. Na nehybnej hladine vody si predstavme myslený geometrický útvar, napríklad štvorec. Ak teraz niekto, hoci aj ďaleko od nás, vhodí do vody kameň, po istom čase dorazia k štvorcu vlny, ktoré budú jeho tvar v čase meniť.

Ak zmeriame deformácie nášho štvorca presne, vieme nielen to, že sme vlny detegovali, ale vieme aj zmerať ich základné parametre ako amplitúdu a frekvenciu.

Na podobnej myšlienke je založený aj experiment LIGO v USA. Skladá sa z dvoch na seba kolmých ramien dlhých 4 kilometre. Každé rameno je zložené z rovnakých častí – deliča signálu na začiatku a zrkadla na konci (v podstate Michelsonov interferometer).

Vstupný signál (laser) sa na začiatku rozdelí na dva signály. Jeden letí jedným ramenom a druhý zvyšným ramenom kolmým na to prvé. Oba signály sa odrazia od zrkadla na konci svojho ramena a letia naspäť.

Ak sa jedno rameno voči druhému vplyvom gravitačnej vlny o trochu skráti alebo predĺži, výsledný signál sa od toho vstupného bude líšiť. Takto vieme priamo odmerať amplitúdu danej vlny a pri opakovanom meraní počas dlhšieho časového intervalu aj jej frekvenciu.

Možný úspech?

Iba pred pár dňami sa na sociálnej sieti objavila správa Lawrencea Kraussa, kozmológa z univerzity v Arizone, ktorý potvrdzuje fámy šíriace sa od septembra minulého roka. Podľa Kraussových informácií vraj na LIGO namerali signál, ktorý môže znamenať detekciu gravitačných vĺn.

Na Kraussovu hlavu sa zniesla kritika. Napríklad profesor astronómie Michael Merrifield z univerzity v Nottinghame napísal ako reakciu na Kraussovu správu: „Ak je to pravda, tak sa snažíte ukradnúť ich slávu, ak nie, ubližujete dôveryhodnosti vedy. To nie je výhra pre nikoho.“

Iní poukazujú na to, že každé upriamenie pozornosti médií na vedu je prínosom. Osobne si myslím, že s podobnými prelomovými objavmi by sa malo nakladať opatrne a nezverejňovať nič skôr, ako výsledná publikácia prejde overovacím procesom. Nie je predsa možné propagovať vedu nedôsledným dodržiavaním metodológie vedy samotnej.

Gravitačné vlny v sebe nesú dôležité informácie

Prečo by nás gravitačné vlny mali zaujímať? Gravitačná vlna by mohla niesť veľa informácií o procese, v ktorom vznikla. Jedným zo scenárov vzniku gravitačných vĺn sú dve neutrónové hviezdy obiehajúce okolo seba. V tomto prípade stráca systém vďaka vyžarovaniu gravitačných vĺn energiu.

Dve neutrónové hviezdy sa tak budú približovať k sebe a ich perióda obehu sa bude skracovať. Nakoniec sa obe neutrónové hviezdy spoja. Ak sa nám podarí skutočne zachytiť gravitačné vlny, mohli by sme rekonštruovať dynamiku tohto procesu.

Dve neutrínové hviezdy obiehajúce vedľa seba. Foto - Nasa
Dve neutrónové hviezdy obiehajúce vedľa seba. Foto – Nasa

Z povahy gravitačných vĺn tiež vyplýva, že ich vieme namerať len pri podobne „apokalyptických“ udalostiach vo vesmíre (presnejšie udalostiach, ktoré zahŕňajú veľmi masívne objekty blízko seba). Takou je napríklad aj zrážka dvoch čiernych dier alebo takzvaných bielych trpaslíkov, čo sú zvyšky po hviezdach s podobnou hmotnosťou ako Slnko.

Iróniou osudu je, že takmer identický experiment ako LIGO – samozrejme, pri oveľa menšej citlivosti – vedci použili pri pokuse o potvrdenie teórie éteru (predchodkyni špeciálnej teórie relativity). V budúcnosti je možné, že experiment, ktorý viedol k zrodu špeciálnej teórie relativity, povedie k ďalšiemu potvrdeniu tej všeobecnej.

Máte pripomienku alebo ste našli chybu? Prosíme, napíšte na [email protected].

Veda

Teraz najčítanejšie