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

Gravitační vlny jsou vlněním časoprostoru: Jedná se o hřebeny v „mříží“ časoprostoru, jímž se pohybuje hmotné těleso. Naproti tomu osamocené, symetrické a nepohybující se objekty gravitační vlny nevyzařují. Šířící se gravitační vlny těleso smršťují a natahují, byť na mikroskopických škálách. Odborníci proto v minulosti zkoušeli „vyčíst“ průchod gravitačních vln ze změny vzhledu objektů. 

A přesně tak byly gravitační vlny objeveny: 14. září 2015 v 9:51 světového času zachytily obě stanice experimentu LIGO (viz dále) neobyčejně výrazný záchvěv, který byl již na první pohled projevem gravitačních vln. V tu chvíli se celá Země asi na dvě desetiny sekundy rozvibrovala, avšak na mikroskopické úrovni. Objev okamžitě zahalilo přísné embargo, přesto neověřené informace mezi odbornou veřejnost prosákly. Spekulace dlouho oficiální cestou nikdo nepotvrdil, ale ani nevyvrátil. Je zřejmé, že se vědci snažili vyhnout situaci s „objevem“ z BICEP2 v roce 2014 (viz dále) a měření opravdu prověřit ze všech stran. Letos 11. února však vyšli s pravdou ven. 

LIGO přesvědčivě detekoval průchod gravitačních vln vyvolaných katastrofickou událostí – kolizí dvou černých děr. Podrobná analýza naměřených dat ukázala, že se ve vzdáleném vesmíru před 1,3 miliardy let srazily dvě černé díry o hmotnosti 29 a 36 sluncí. Představovaly přitom pozůstatek po velmi hmotné dvojhvězdě, vzájemně se obíhaly a v důsledku ztráty energie (mimo jiné právě skrz gravitační vlny) na sebe spirálovaly, až došlo k jejich srážce. Obě černé díry splynuly rychlostí dosahující téměř poloviny rychlosti světla v jednu, při čemž se ve zlomku sekundy vyzářily ve formě gravitačních vln celé tři sluneční hmotnosti. V maximu kolize uvolnila 50× víc gravitační energie než celý viditelný vesmír. Soudě podle zpoždění mezi oběma měřicími stanicemi došlo k události na jižní obloze.  

1) Hledání gravitačních vln je záležitostí posledních let

Přestože člověk ve středních letech by mohl na základě zpráv ve sdělovacích prostředcích k podobnému závěru dojít, byl by rozhodně daleko od pravdy. Již v 60. letech minulého století sestrojil Joseph Weber důmyslný detektor gravitačních vln sestávající z obřích zavěšených hliníkových válců. Weber očekával, že pokud zařízením projde gravitační vlna, vyvolá v něm vibrace. Válce byly zkonstruovány s rezonanční frekvencí 1 660 Hz a jejich vibrace zachycoval citlivý piezoelektrický senzor. 

V roce 1968 oznámil vědec první detekci gravitačních vln, v průběhu dalších let tak činil opakovaně, a dokonce údajně pozoroval gravitační vlny pocházejících ze supernovy SN1987A. Jeho výsledky však nebyly nikdy nezávisle prokázány a vědecká komunita je obecně odmítla, neboť vypočtené amplitudy gravitačních vln se nacházely mnoho řádů pod prahem detekce Weberovým zřízením. 

Dnes se budují detektory založené na laserové interferometrii: Principiálně sestávají ze dvou kolmých ramen, jimiž se prohání rozdělený laserový svazek. Odrazná zrcadla na koncích ramen vracejí laserové fotony zpět do jednoho místa, kde svazky interferují. Pokud by byly světelné paprsky na trase rušeny průchodem gravitačních vln, měl by zkombinovaný svazek jiné vlastnosti než ten původní. 

Největší pozemní gravitační detektor LIGO neboli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory má ramena dlouhá 4 km (!) a funguje již od roku 1992. Tvoří jej dokonce dvě stanice: Poblíž Livingstonu v Louisianě a nedaleko Hanfordu ve státě Washington. Dvě základny přitom hrají důležitou roli při prověřování falešně pozitivních výsledků. Plánované kosmické experimenty – DECIGO či eLISA – by pracovaly na několika družicích letících ve formaci s rameny ve vzdálenostech milionů kilometrů, a tedy s mnohem lepší předpokládanou přesností. 

2) Gravitační vlny pocházejí z raného vesmíru

Jak již bylo řečeno, gravitační vlny vyvolávají hmotné objekty pohybující se časoprostorem. Z toho vyplývá, že je vyvolávají všechna tělesa ve všech časech – jde přitom pouze o otázku jejich amplitudy, jež je přímo úměrná poruše gravitačního potenciálu, kterou objekt podněcuje.

K dominantním zdrojům gravitačních vln tedy patří astrofyzikální jevy současnosti, především kompaktní binární systémy jako dvojice bílých trpaslíků, neutronových hvězd nebo černých děr, a rychlé procesy, například výbuchy supernov či splývání černých děr. Ostatně z uvedených objektů pocházejí vůbec první indicie o existenci gravitačních vln. Známý Hulse-Taylorův pulzar PSR B1913+16, dvojice neutronových hvězd, zkracuje svoji periodu oběhu, jako by se ze systému ztrácela energie. Kupodivu jí „mizí“ právě takové množství (samozřejmě v rámci chybového intervalu), jež odpovídá předpovědi obecné teorie relativity o vyzařování gravitačních vln těmito objekty. Jde tedy o dobrou shodu pozorování s predikcí. Vlastní gravitační vlny však spatřeny nebyly – pouze jev, který s nimi spojujeme.

3) Experiment BICEP by mohl gravitační vlny jednou opravdu vidět

Před dvěma roky rozvířila klidné vody teoretické fyziky bombastická zpráva, v níž vědci oznamovali objev primordiálních gravitačních vln – tedy vln, jež by podle současné kosmologie měly vzniknout během inflační fáze vývoje vesmíru. V souladu s tímto scénářem byl totiž velmi mladý kosmos malý, ale v určitém okamžiku se bleskově „nafoukl“ do obřích rozměrů. Odborníci tak vysvětlují pozorované vlastnosti současného vesmíru, který je prakticky plochý, ale především homogenní (vypadá ve všech místech stejně) a izotropní (vypadá ve všech směrech stejně). A během uvedeného procesu se měly vytvořit silné gravitační vlny. 

Experimenty BICEP neboli Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization a následující BICEP2 měly měřit polarizaci v kosmickém mikrovlnném pozadí. K jeho vyzáření došlo 370 tisíc let po Velkém třesku, kdy se záření oddělilo od látky. Pokud se tedy horkým vesmírem proháněly gravitační vlny z inflační fáze, měly by zanechat otisky ve specifické polarizaci původního záření, jež dnes pozorujeme v mikrovlnné oblasti: speciálně tzv. B-módy polarizace, které by se staly nepřímým důkazem existence primordiálních gravitačních vln. 

Bohužel se ukázalo, že interpretace získaných výsledků byla nedostatečná a že změřený signál B-módu ve skutečnosti způsobila polarizace záření na prachu v naší Galaxii. Odkaz experimentů BICEP přesto zůstává živý, jejich plánovaní následovníci by však měli být podstatně citlivější a shromážděná data by se především měla zpracovat pečlivěji. Ovšem ani tato zařízení neuvidí gravitační vlny přímo. Poskytnou nám maximálně nepřímé indicie svědčící o jednom jediném typu gravitačních vln – každopádně typu důležitém, neboť jde o prubířský kámen inflační hypotézy. 

4) Pokud neexistují primordiální gravitační vlny, nebyl ani Velký třesk

Uvedené tvrzení rozhodně neplatí. Nejranějším zdrojem gravitačních vln, jež bychom mohli potenciálně přímo či nepřímo zachytit, byla totiž již zmíněná inflační fáze, nikoliv předcházející Velký třesk. Primordiální gravitační vlny představují vedlejší produkt tohoto „nafouknutí“, opět v souladu s obecnou teorií gravitace, podle níž jsou jejich zdrojem pohybující se hmotná tělesa.

Veškerý výzkum gravitačních vln se tedy týká až poinflační fáze vesmíru. Podaří-li se spolehlivě prokázat, že primordiální gravitační vlny neexistují, bude to znamenat problém pro hypotézu inflace. Budou-li naopak zmíněné vlny odhaleny, přinese to důležitá experimentální omezení pro existující modely inflace, zejména pro její míru – tedy jak moc se vesmír opravdu rozepnul. Každopádně tyto pokusy nepotvrdí ani nevyvrátí existenci Velkého třesku – ta představuje zcela jinou otázku. 

5) K detekci gravitačních vln postačí jeden typ experimentu

Fyzikální experimentátoři rádi říkají, že pokud se podaří nějakým pokusem prokázat jev opakovaně třikrát, tak zcela jistě existuje. Ovšem v tak delikátní situaci, jakou je hledání gravitačních vln – jež má rozhodující hodnotu pro obecnou teorii relativity i současné kosmologické představy –, jeden experiment rozhodně nestačí.

TIP: Revoluce ve fyzice: Vědci poprvé zachytili neviditelné gravitační vlny

Dva zmíněné typy, tedy interferometrické pokusy a hledání B-módů polarizace mikrovlnného záření, se navíc skvěle doplňují: Pátrají totiž po známkách gravitačních vln, jejichž předpokládané vlnové délky se liší o patnáct řádů. Pokud by obě metody došly ke shodě, významně by to moderní kosmologii podpořilo – taková nezávislá potvrzení by těžko zametali pod koberec i ti nejzarytější skeptici.