interaktívne zoznámenie s kozmom

Gravitačné vlny

Astronómovia začali prvé vedomosti o vesmíre získavať prostredníctvom úzkeho výseku elektromagnetického žiarenia, ktorý nazývame viditeľné svetlo. Až v priebehu XX. storočia sme odhalili závoj zakrývajúci ďalšie pozorovacie okná v spektre elektromagnetických žiarení. Vďaka rozvoju časticovej fyziky sme začali rozvíjať sledovanie vesmíru pomocou detektorov častíc, napríklad vďaka neutrínovým detektorom sa s predstihom niekoľkých hodín dozvieme o výbuchu jasných supernov i o dejoch v jadre Slnka. Kozmonautika umožnila priamy prieskum blízkych telies slnečnej sústavy. Doposiaľ neprebádaným oknom, ktorým môžeme poznávať vesmír je detekcia gravitačných vĺn predpovedaných Einsteinovou teóriou relativity. Toto pozorovacie okno nám umožní nazrieť do podstaty prvotných fáz vzniku vesmíru, sledovať zrážky neutrónových hviezd a čiernych dier, či objasniť záhadné gama záblesky.

Súčasná fyzika popisuje svet pomocou štyroch základných síl: elektromagnetická, silná a slabá jadrová sila a gravitácia. Gravitácia je spomedzi nich najmenej preskúmanou silou, pretože je v porovnaní s ďalšími tromi najslabšia. Napriek tomu práve gravitácia formuje veľkoškálovú štruktúru vesmíru, drží pokope slnečnú sústavu i celé galaxie, pretože ako jediná zo základných síl má prakticky neobmedzený dosah, nepôsobí iba na krátku vzdialenosť ako napríklad silná jadrová sila, ktorá drží spolu častice v jadre atómu. A navyše ako jediná zo síl pôsobí na všetky hmotné častice.

Albert Einstein ukázal vo svojej všeobecnej teórií relativity, že pojem gravitačnej príťažlivosti ako ho zaviedol Isaac Newton je možné nahradiť zakrivením časopriestoru. Každé hmotné teleso zakrivuje priestor a čas vo svojom okolí. Túto myšlienku je ľahké si znázorniť, ak vypustíme z nášho modelu jeden rozmer a prejdeme k dvojrozmernému priestoru. V tomto modeli nedrží planéty na ich dráhach okolo Slnka príťažlivosť, ale pohybujú sa zotrvačnosťou po najpriamejšej dráhe (geodetike) v zakrivenom priestore. Dvojrozmerný priestor nášho modelu si znázornime ako gumenú blanu, na ktorú umiestnime kovovú guľu (Slnko). Ak sa do blízkosti gule prikotúľa malá guľôčka, podstatne zmení svoju dráhu kvôli zakriveniu blany. Ak sa guľôčka dostatočne priblíži, môže spadnúť do priehlbiny, ktorú veľká guľa vytvorila.

Na opustenie gravitačného poľa treba vynaložiť tým viac energie, čím je príťažlivosť intenzívnejšia. Tento efekt je platný aj pre fotóny, častice svetelného vlnenia, takže fotóny opúšťajúce oblasť silného gravitačného poľa stratia časť energie a ich vlnová dĺžka sa úmerne zväčší. Predlžovanie vlnovej dĺžky fotónov týmto efektom nazývame gravitačný červený posuv.

V prvom priblížení si môžeme predstaviť, že gravitačné vlny sa šíria podobne ako zvukové alebo elektromagnetické vlny. Neexistuje tu však žiadne prostredie, ktorým by sa šírili. Vlní sa samotný časopriestor. Ďalším rozdielom je spôsob kmitania. Elektromagnetické vlny, ktorých pole má spin rovný jednej, kmitajú v dvoch rovinách sklonených o 90°. Gravitačné vlny kmitajú tiež v dvoch nezávislých rovinách, no tieto sú sklonené iba o 45°, pretože spin ich poľa je dva. Najjednoduchším zdrojom elektromagnetického vlnenia je osovo súmerné teleso (dipól). Symetrické teleso nemôže byť zdrojom elektromagnetických vĺn. Gravitačné vlny potrebujú na svoj vznik až kvadrupól, teda zdroj ktorý nieje súmerný ani podľa bodu, ani podľa osi.

Príkladným zdrojom gravitačného vlnenia vo vesmíre sú veľmi hmotné a blízke dvojhviezdy, najlepšie neutrónové hviezdy. Všetky formy postupného vlnenia prenášajú energiu, preto aj neutrónová dvojhviezda vyžarovaním gravitačného vlnenia stráca energiu a obidve zložky sa navzájom postupne približujú. Po čase sa natoľko priblížia, až sa zrazia a splynú, čo je sprevádzané uvoľnením ohromnej energie. Práve takýmto scenárom sa dá vysvetliť podstata gama zábleskov, ktoré pozorujeme už niekoľko desaťročí a doposiaľ o nich takmer nič nevieme. Ak použijeme vyššie uvedenú analógiu zakrivenia priestoru pomocou gumenej blany, môžeme si prenos energie gravitačnými vlnami priblížiť. Stačí si predstaviť, že ťažká guľôčka sa bude prudko húpať a vytvárať tak na blane vlny. Ak sa zrazia dve hmotné gule, opäť vyvolajú vo svojom okolí vlnenie blany.

Ako nám ukázala kvantová mechanika, elektromagnetické vlny sa môžu šíriť iba v podobe "balíčkov", čiže kvánt, preto hovoríme o dualite vĺn a častíc. Svetlo môžeme popisovať ako elektromagnetické vlnenie s určitou vlnovou dĺžkou, alebo ako fotóny s charakteristickou energiou. Rovnako môžeme hovoriť o gravitačnom vlnení ako o šírení častíc nazvaných gravitóny. Na fotóny s určitým rozsahom energií sú citlivé naše oči, čo vnímame ako svetlo. Gravitóny sa doposiaľ nepodarilo priamo pozorovať, ale už od ich teoretického odvodenia Einsteinom v roku 1916 sa o to pokúšame a čoskoro na to budeme mať aj príslušné zariadenia.

Jedným z prvých serióznych pokusov o zachytenie gravitačných vĺn boli pokusy Josepha Webera. V roku 1966 uviedol do prevádzky dvojicu detektorov (vzdialených 1 000 km, aby vylúčil náhodné chyby), ktoré pozostávali z hmotných hliníkových valcov (priemer 66 cm, dĺžka 153 cm, hmotnosť 1,4 t) dômyselne izolovaných od vonkajších rušení, na ktoré pripevnil piezoelektrické detektory citlivé na oscilácie spôsobené prípadným gravitačným vlnením. V priebehu niekoľkých rokov trvania experimentu zachytil jediný signál, ktorý sa už nezopakoval. Dnes predpokladáme, že jeho aparatúra bola príliš málo citlivá, aby zachytila subtílne gravitačné vlnenie.

Kým sa podarí postaviť dostatočne citlivú aparatúru na Zemi, môžeme sa obrátiť na vesmírne laboratóriá, ktoré nám pripravila príroda. Optimálnym miestom na preverenie efektov predpovedaných teóriou relativity sú podvojné pulzary, ako napríklad PSR 1913+16, ktorý sme objavili pomocou rádioteleskopu v Portorickom Arecibe. Jeho perióda pulzácií je 0,059 s, a jeho zložky s hmotnosťami 1,44 M_O (hmotnosť Slnka) a 1,39 M_O sú od seba vzdialené iba 700 000 km (približne polomer Slnka), takže sa v sústave výrazne prejavujú relativistické efekty. Napríklad stáčanie periastra sústavy je 4° za rok, pritom stáčanie perihélia Merkúru je iba 43" za storočie. R. A. Hulse a J. H. Taylor dostali v roku 1993 Nobelovu cenu za fyziku za výskum tejto sústavy. Okrem iného zistili, že perióda obehu zložiek 7^h 45^m sa skracuje o 76 mikrosekúnd za rok, čo vysvetľujeme stratou energie v dôsledku vyžarovania gravitačných vĺn.

Dnešné pokusy zamerané na detekciu gravitačných vĺn sú principiálne postavené na využití laserovej interferometrie. Laserový lúč sa rozdelí na dva zväzky, ktoré sú vyslané v navzájom kolmom smere k odrážačom upevneným na hmotné testovacie telesá, podobne ako vo Weberovom experimente. Odrazené svetlo sa opäť kombinuje v interferometri a hľadajú sa zmeny v interferenčnom vzore, ktoré by sa dali pripísať časopriestorovým deformáciám v dôsledku priechodu gravitačného vlnenia. Čím dlhšie sú kolmé ramená, tým väčšiu presnosť môžeme dosiahnuť.

Napríklad ambiciózny projekt LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Obser­vatory), ktorý má začať operačnú prevádzku v roku 2002 má dve ramená dlhé 4 km s priemerom 60 cm, v ktorých je udržované hlboké vákuum. Opäť sa kvôli overeniu meraní stavia dvojica týchto detektorov, navzájom vzdialených 3 200 km (štáty Louisiana a Washington). Mali by dosiahnuť miliónkrát väčšiu presnosť ako Weberova aparatúra. LIGO by malo byť schopné zachytiť gravitačné vlnenie rôznej povahy a rozmanitého pôvodu, napríklad periodické signály s narastajúcou frekvenciou (neutrónové dvojhviezdy), alebo spŕšky gravitónov (výbuch supernovy).

V prevádzke, vo výstavbe, alebo v podobe návrhu sú aj ďalšie detektory gravitačných vĺn. Veľmi zaujímavým je napríklad pripravovaný vesmírny projekt LISA (Laser Interferometry Space Antenna), ktorý by mal byť umiestnený na samostatnej obežnej dráhe okolo Slnka. Tri družice zostavene do pravouhlého trojuholníka by pracovali ako veľký interferometer s ramenami dlhými až 5 000 000 km. Prípadné zvlnenie priestoru gravitačnými vlnami spôsobí nepatrné, ale merateľné vychýlenie polôh družíc, čo okamžite zaznamenáme na interferenčných obrazcoch laserových lúčov, ktorými budú neustále premeriavané ich polohy. Zaznamenať dokážeme každú odchýlku v polohe väčšiu ako priemer atómu.

Pozri tiež...

• Pozorovacie okná
• Teória relativity

Posledná zmena:
Podľa: P. Kulhánek: Gravitačné vlny, Astropis 2000
© 2000, 2001 Štefánikova nadácia na podporu astronómie na Slovensku (napíšte nám)