Denník N

Nobelov výbor ocenil objav gravitačných vĺn

Nobelovu cenu za fyziku si odniesol výskum gravitačných vĺn. Foto – Nobelprize.org
Nobelovu cenu za fyziku si odniesol výskum gravitačných vĺn. Foto – Nobelprize.org

Albert Einstein ich predpovedal v roku 1916 a ich prvá detekcia prebehla v roku 2015. Tento rok udelili za pozorovanie gravitačných vĺn najprestížnejšie vedecké ocenenie.

Autor je fyzik

Nobelovu cenu za fyziku si odniesli fyzici Rainer Weiss, Barry C. Barish a Kip S. Thorne za pozorovanie gravitačných vĺn.

Všetci traja vedci sú z kolaborácie LIGO/Virgo.

Ak vám meno Kipa Thorna znie povedome, nebude to náhoda. V minulosti pracoval ako vedecký konzultant filmu Interstellar, o fyzike vo filme napísal aj populárnu knihu Science of Interstellar.

Predstavovať gravitačné vlny je možno trochu zbytočné. Za posledné dva roky o nich počúvame pomerne pravidelne. Ak vás však doteraz obchádzali (nielen doslovne), tu je krátke zhrnutie.

Okolo hmotných objektov cítime gravitačné pôsobenie, ktoré je pri extrémne hmotných objektoch extrémne silné. Najlepší príklad sú čierne diery, z okolia ktorých nedokáže uniknúť ani svetlo.

Keď gravitačné vlny preletia cez nás

Albert Einstein odhalil, že gravitačné pôsobenie je len prejavom deformácie časopriestoru. Pri dynamických udalostiach, ako napríklad zrážkach, sa časopriestorová deformácia môže utrhnúť a rýchlosťou svetla letieť priestorom. Tento jav voláme gravitačné vlny.

Čo sa stane, keď gravitačná vlna preletí cez nás? Spôsobí, že sa mierne zdeformujeme – nohy sa priblížia o malý kúsok k hlave, no ramená zas budú trochu širšie. O chvíľu to bude naopak – gravitačné vlny periodicky naťahujú a sťahujú.

Že ste si niečo takéto doteraz nevšimli? Buďte radi, efekt gravitačných vĺn je veľmi malý. Ich zdroj totiž pochádza z úplne inej časti vesmíru.

Gravitačné vlny. Foto – NASA

Experiment LIGO

Všetky štyri pozorovania gravitačných vĺn majú veľmi podobné parametre, šlo o zrážku dvoch čiernych dier, z ktorých obe mali niekoľko desaťnásobkov hmotnosti Slnka. Spája ich aj podobná vzdialenosť – zhruba miliarda svetelných rokov. Gravitačné vlny k nám museli letieť takmer desatinu veku vesmíru.

Zrazu začína byť prekvapivé, že ich na takú vzdialenosť vôbec dokážeme zachytiť. Vtip spočíva v ich energii. Princíp atómovej bomby je založený na tom, že sa malá časť hmotnosti paliva zmení na energiu, podľa Einsteinovho E = mc^2.

Niekoľko gramov stačí na úplnú deštrukciu pomerne veľkej oblasti. Pri zrážke čiernych dier sa na energiu zmení hmotnosť niekoľkých sĺnk (typicky tak troch) a následne vyžiari vo forme gravitačných vĺn. Môžeme byť radi, že to sledujeme pekne z odstupu.

Čím stojíte od ohňa ďalej, tým menej cítite jeho teplo a vidíte jeho svetlo. Podobne klesá aj efekt gravitačných vĺn. Kým dorazia na Zem, naťahovania a sťahovania, ktoré spôsobujú, sú takmer nebadané.

Aby sa ich podarilo zaznamenať, vznikol experiment LIGO (Virgo sa pridal trochu neskôr), ktorého základom sú niekoľko kilometrov dlhé ramená – ktoré sa pri prechode gravitačných vĺn o malý kúsok opakovane skrátia a predĺžia. O aký malý? Menší než jadro atómu. Geniálnosť experimentu spočíva v technických vychytávkach, ktoré umožnia tento drobný rozdiel zaznamenať (a zároveň odfiltrujú všetky ruchy okolia).

Nepriestrelný dôkaz existencie čiernych dier

Aby sa zabránilo omylu, experiment prebiehal v dvoch kópiách – v Handforde na severozápade USA a v juhovýchodnej Lousiane (nedávno sa pripojilo aj Taliansko). Geologický ruch či vplyv človeka môžu nastať na jednom z detektorov, no neobjavia sa na všetkých naraz.

Signál z gravitačných vĺn však nie je len jednoduché pípnutie, ide o zložitý profil, z ktorého sa (porovnávaním so simulovanými dátami) môžeme dozvedieť veľa o parametroch zrážky, ktorá ich vyvolala. Tak napríklad poznáme hmotnosti čiernych dier, ktoré sa zrazili.

Zároveň ide aj o prvý nepriestrelný dôkaz čiernych dier. Doteraz sme si boli takmer stopercentne istí, že sme ich pozorovali nepriamo, no vždy existovalo síce veľmi nepravdepodobné, no alternatívne vysvetlenie.

Neutrónové hviezdy

Cenu za uvedený objav si rozdelili noví nobelisti – Rainer Weiss, Barry C. Barish a Kip S. Thorne. Je týmto téma gravitačných vĺn uzavretá? Ani zďaleka nie. Nedávno sme písali o tom, že v komunite sa hovorí o zatiaľ neoznámenom pozorovaní zrážky neutrónových hviezd.

Neutrónové hviezdy sú takmer ako čierne diery, no nie úplne – svetlo z nich stále dokáže uniknúť. Podľa všetkého sa tak okrem gravitačného signálu podarilo zachytiť aj signál optický. Na detaily si však budeme musieť počkať, kým experimentátori spracujú a vyhodnotia dáta. Posledné roky v astrofyzike patrili gravitačným vlnám – a aspoň niekoľko rokov to bude platiť tiež.

Nobelova cena sa udeľuje od roku 1901. Do minulého roku sa ich udelilo 579, ceny boli prerozdelené medzi 911 laureátov. Udeľujú sa v kategóriách: medicína alebo fyziológia, fyzika, chémia, ekonómia, literatúra a mier.

Týždeň udeľovania Nobelových cien dnes pokračoval cenou za fyziku. Ocenená bola trojica vedcov Rainer Weiss, Barry C. Barish a Kip S. Thorne za jednoznačné pozorovanie gravitačných vĺn.

Do dnešného dňa bolo udelených 111 Nobelových cien za fyziku, 47 z nich dostal iba jeden laureát. John Bardeen dostal za svoj život dve Nobelove ceny za fyziku – v roku 1965 za objav tranzistora a v roku 1972 za teóriu supravodivosti.

Najmladším laureátom bol Lawrence Bragg (cena za röntgenovú spektroskopiu v roku 1915), ktorý dostal cenu vo veku 25 rokov. Priemerný vek laureáta ceny za fyziku je 55 rokov. Žena ju dostala zatiaľ dvakrát – Maria Curie a Maria Goeppert-Mayer.

Polovicu minuloročnej ceny si odniesol David Thouless, druhú si rozdelili Duncan Haldane a Michael Kosterlitz. Študovali exotické formy hmoty a jej topológiu.

Nobelove ceny

Teraz najčítanejšie