Skip to content

Óda na přitažlivost: Je vesmír zvlněný?

Nejslabší ze všech známých interakcí byla pro vědce po léta plachým stínem neustále uskakujícím po povrchu laboratorních zdí. Gravitace, síla, kterou působí na své okolí všechny hmotné objekty ve vesmíru, a jejíž vlny byly předpovězeny Albertem Einsteinem už před sto lety. A nyní, po mnoha neúspěšných pokusech, konečně polapeny. V ozvěně tance smrti, který si ani neumíme představit.

Když se řekne teorie obecné relativity, v hlavách většiny lidí se automaticky objeví notoricky známá formulka E=mc2. Vzorec, podle které se hmota přeměňuje na energii, však není zdaleka největším objevem Alberta Einsteina (1879-1955). Teorie relativity popisuje předivo, samu geometrii vesmíru, v němž žijeme. Nastiňuje, že má počátek ve Velkém třesku a že, podle všech zákonů termodynamiky, spěje také ke svému konci. Díky ní víme, že prostor a čas od sebe nelze odloučit, že existuje pouze jejich prolnutí – prostoročas. A víme také, že všechny hmotné objekty kolem sebe svou přítomností prostoročas zakřivují. Právě toto působení nazýváme gravitací. Po celé dvacáté století až do 14. září minulého roku nedává zachycení jejích vln, tedy nepřesně řečeno jisté kontrakce délek, která se šíří časoprostorem jako po třírozměrné vodní hladině, fyzikům celého světa spát. Další bariéra však byla pokořena, další kolečko předpověděné před sto lety zapadlo na své místo. A cože to vlastně slavíme?

1
Gravitace tvoří výchozí bod Einsteinovy teorie relativity.

Jablka a šikmé věže

Počátky zkoumání gravitace nacházíme už u Aristotela (384-322 př.n.l.). Ten věří v příčinnost všech věcí a pokud těžké padají k zemi, znamená to, že se snaží zaujmout své právoplatné místo, které tkví ve středu vesmíru. Římský učenec Marcus Vitruvius Pollio (cca 80 – 15 př.n.l.) si naopak myslí, že jde o povahu věci, která jí nutí padat dolů, a nikoliv sama její tíha. První náznaky faktické správnosti objevujeme v úvahách Galilea Galileiho (1564-1642). Domnívá se, že zrychlení objektů padajících k zemi nezávisí na jejich tíze, ale je pro všechny konstantní. Na to, zda k  objevu skutečně dospívání experimentálním házením předmětů z šikmé věže v Pise, jak tvrdí jeho životopisec, se názory historiků různí. Největší průlom nicméně přichází s Newtonovými (1642-1726) gravitačními zákony, které anglický fyzik v 17. století odvozuje z pozorování vzájemného pohybu Země a Měsíce. V omezené míře, pro tělesa pohybující se malými rychlostmi, se ve fyzice používají dodnes. K tomu, abychom například trefili raketou měsíc, totiž bohatě stačí. Pro objekty pohybující se blízko rychlosti světla, je však už třeba sáhnout po teorii relativity. Když Albert Einstein v roce 1916 sezná, že z jeho rovnic pro přitažlivost vyplývá i šíření gravitačních vln, uvědomí si, že jejich potvrzení se pravděpodobně nikdy nedočká. Za jeho života neexistují způsoby tak jemné odchylky měřit a nebudou existovat ještě dlouho po jeho smrti v roce 1955. Gravitační vlny sice deformují časoprostor, jak jím procházejí, jsou však velice slabé. Případný detektor musí být tak citlivý, aby dokázal měřit zavlnění struktury vesmíru na úrovni tisíckrát menší než je atomové jádro. Aby ke vzniku vln vůbec došlo, musí se navíc někde v blízkosti střetnout titáni, nejextrémnější objekty vesmíru jako černé díry nebo neutronové hvězdy. Jak říká astrofyzik a popularizátor vědy Kip Thorne (*1940): „Prozatím jsme pozorovali zakřivený časoprostor vždy v klidném stavu – asi jako hladinu oceánu bez jediné vlnky, stojaté zrcadlo. Bouři se vším jejím běsněním a vlnami jsme nikdy neviděli. Až doteď.“

2
Neutronové hvězdy jsou jedny z nejextrémnějších objektů ve vesmíru.

Rozevřená ramena

Průlomový objev ohlásila 11. února tohoto roku vědecká observatoř LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ve Spojených státech amerických. Tvoří ji dvě na sobě nezávislá zařízení v Livingstonu v Louisianě a v Hanfordu ve státě Washington. 3000 kilometrů je dělí kvůli tomu, aby se vyloučilo rušení stejnými lokální vlivy jako je například zemětřesení. Celý interferometr tvoří v podstatě dva tunely svírající navzájem pravý úhel jako obří písmeno L, s rameny o délce čtyř kilometrů. Ze styčného bodu jsou ve stejný moment vyslány dva laserové paprsky, které se odrazí od zrcadla na konci tunelu a vrátí se do výchozího bodu, kde umístěný interferometr vyhodnotí jakékoliv odchylky. Pokud skrze observatoř procházejí gravitační vlny, pak se jedno rameno prodlouží a druhé smrští a jednomu z vyslaných paprsků tedy potrvá cesta o něco déle. Déle pochopitelně v řádech nanosekund, protože smrštění proběhne na úrovni menší než jsou jádra atomů. Kdybychom stáli o pohyb viditelnější, musela by, podle vědců z LIGO, jejich observatoř sahat až k Proximě Centauri, naší nejbližší sousední hvězdě. Ale ani pak by kontrakce nebyla větší nežli šířka lidského vlasu.

3
Ramena laboratoře LIGO měří na délku čtyři kilometry.

Dávnověká bouře

Dne 14. září loňského roku, pouhých několik dní po svém opětovném spuštění (zařízení totiž v letech 2010-2014 prodělává rozsáhlé úpravy pro zvýšení citlivosti), zachycuje observatoř poprvé gravitační vlny. Jsou ozvěnami dávné bouře ve struktuře časoprostoru a pocházejí z kolize dvou černých děr hmotných přibližně jako 29 a 36 našich Sluncí, která se odehrává před 1,3 miliardami let. Dva extrémní objekty se kolem točí jako nesmělí tanečníci ve hvězdném čardáši smrti, než splynou dohromady a během několika milisekund uvolní energii 50krát větší energii než zbytek viditelného kosmu. V jakém koutu vesmíru k události došlo, se prozatím neví, s určením polohy by měl nicméně pomoct italský detektor VIRGO, který má být znovu uveden do provozu později tento rok.

4
Tanec smrti dvou titánů, jehož ozvěnu LIGO zachytila, se odehrál dávno.

Otevřené oči

Význam přímého pozorování gravitačních vln má dalekosáhlé následky, z nichž další potvrzení Einsteinovy teorie je jen třešničkou na dortu. Na rozdíl od světla nejsou gravitační vlny rušeny a ovlivňovány kontaktem s hmotou, což znamená, že jimi nesená informace zůstává čistá. Jak říkají sami členové výzkumného týmu z observatoře LIGO: „Otevírá se před námi úplně nová éra zkoumání vesmíru. Astrofyzikové celého světa právě dostali do rukou nový nástroj, nepodobný ničemu, co měli k dispozici doposud. A dohlédnou s ním lépe a dál než kdykoliv předtím.“

Foto: youtube.com, pbs.org, wikipedia.org
Právě v prodeji
Sdílej!
Komentáře
Další články z rubriky Vesmír Zobrazit více …