Tajemství gravitačních vln (1): Jak vznikají gigantické vrásky v časoprostoru

Podle Einsteinovy obecné relativity se gravitace těsně pojí se zakřivením časoprostoru, k němuž dochází v přítomnosti hmotných objektů: Čím hmotnější těleso, tím víc se kolem něj časoprostor zakřivuje. Pokud se hmotné objekty pohybují, zakřivení časoprostoru se mění. A při jejich zrychlování dochází – za určitých okolností – k „vlnění“ časoprostoru. Vznikají tak gravitační vlny, jež se šíří rychlostí světla. Nesou energii, takže vlastně představují gravitační záření, podobně jako elektromagnetické záření nesoucí energii.

Bude to oříšek

Existenci gravitačních vln navrhl již roku 1905 francouzský teoretický fyzik Henri Poincaré a v roce 1916 je předpověděl Albert Einstein v rámci své obecné teorie relativity. Od té doby se badatelé snažili jev zachytit, ale postupně se ukázalo, že půjde o hodně tvrdý oříšek. Uplynulo celé století, než se vědcům konečně podařilo gravitační vlny přímo detekovat.

První solidní nepřímý doklad jejich existence poskytlo pozorování dvojhvězdy Hulse–Taylor v souhvězdí Orla. Tento extrémní objekt, objevený v roce 1974, tvoří pulzar PSR B1913+16 s neutronovou hvězdou. Perioda jejich vzájemného oběhu se neustále zkracuje, a to o 76,5 mikrosekundy za rok. Asi za 300 milionů let by se tedy měly srazit. Odborníci předpokládali, že je zmíněné zkracování důsledkem vyzařování gravitačních vln, které odnášejí pryč energii. V roce 1993 obdrželi Russell Hulse a Joseph Taylor za objev a výzkum zmíněné dvojhvězdy Nobelovu cenu za fyziku. 

Léta hledání

Nepřímý důkaz existence gravitačních vln povzbudil fyziky ke snaze detekovat je přímo. Slouží k tomu gravitační detektory, jejichž první prototypy vznikly již v 70. letech 20. století. Navzdory značnému úsilí a neustálému vylepšování však dlouho žádné gravitační vlny nenacházely.

Velké vzrušení vyvolal v roce 2014 experiment BICEP2 alias Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, probíhající na polární stanici Amundsen–Scott na jižním pólu. Vědecký tým ohlásil, že při pozorování reliktního záření zachytil „otisk“ primordiálních gravitačních vln ze samotného úsvitu vesmíru. Nakonec však badatelé museli své výsledky odvolat, protože naměřená data ve skutečnosti pocházela z kosmického prachu v Mléčné dráze.

Trofej získává LIGO

Vítězem stoletého klání o objev gravitačních vln se stal tým experimentu LIGO neboli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, který 11. února 2016 oznámil jejich první potvrzené pozorování. Došlo k němu přitom o něco dřív, 14. září 2015. Za dlouho očekávaný historický průlom pak v roce 2017 získali Nobelovu cenu za fyziku Rainer Weiss, Kip Thorne a Barry Barish.

Analýzou gravitačních vln lze zjistit řadu cenných informací: Ukázalo se, že původcem prvního detekovaného gravitačního zavlnění se stala srážka a následné splynutí dvou černých děr hvězdné velikosti, o hmotnosti 29 a 36 sluncí. Událost dostala označení GW150914 (ze spojení „gravitational wave“, tedy „gravitační vlna“), odehrála se zhruba 1,3 miliardy světelných let od nás a vznikla při ní černá díra o hmotnosti 62 sluncí. Zbývající hmotu odpovídající třem ekvivalentům Slunce odnesly v podobě energie gravitační vlny. Během splynutí černých gigantů se v posledním zlomku sekundy uvolnila energie přesahující více než padesátkrát výkon všech stálic v pozorovatelném vesmíru. 

Nejen černé díry

Od té doby zachytily observatoře v čele s LIGO řadu gravitačních vln z podobných událostí, při nichž splynuly dvě černé díry hvězdné velikosti. Zhruba rok a půl po první detekci, 16. října 2017, ohlásily týmy LIGO a Virgo zachycení nového typu gravitačního vlnění: O měsíc dřív, 17. srpna, totiž detekovaly vlny ze srážky dvou neutronových hvězd. Při události s označením GW170817 se střetly neutronové stálice o celkové hmotnosti 2,82 slunce.

Když se srazí dvě černé díry, obvykle se nekoná žádný vzrušující vesmírný ohňostroj. V případě kolize neutronových hvězd však odborníci předpokládali explozi, při níž se uvolní spousta elektromagnetického záření. Dané exploze se označují jako kilonovy, protože odpovídají asi tisícinásobku zářivosti novy. Její příčina je ovšem odlišná, a sice termojaderný výbuch na povrchu bílého trpaslíka v těsné dvojhvězdě, který se opakuje v dlouhém horizontu. Existence kilonov byla předpovězena zhruba před třiceti lety a první událost tohoto druhu pozoroval Hubbleův teleskop v roce 2013.

Kam vedou stopy

Při detekci gravitačních vln GW170817 zachytila americká vesmírná observatoř Fermi velice intenzivní výtrysk gama-záření, který dostal označení GRB 170817A. Vytrvalé úsilí asi sedm­desáti teleskopů a observatoří vedlo k objevu události AT 2017gfo, jež byla patrná v širokém rozmezí elektromagnetického spektra. 

TIP: Mýty kolem gravitačních vln: Co jejich existence znamená pro podstatu vesmíru

Záhy se potvrdilo, že jak gravitační vlny GW170817, tak krátký gama-záblesk a událost AT 2017gfo tvoří projev srážky neutronových hvězd a následné exploze kilonovy. Astronomové danou kolizi vystopovali v blízkosti čočkové galaxie NGC 4993 v souhvězdí Hydry, kterou od nás dělí asi 144 milionů světelných let. Gama-záblesk byl přitom zaznamenán jen 1,7 sekundy po detekci gravitačních vln, což hezky dokládá, že se zmíněné vlnění skutečně pohybuje rychlostí světla.