Tajemství gravitačních vln (2): Jak vznikají gigantické vrásky v časoprostoru

Jak vznikají gravitační vlny? Vysílá je každý pohybující se hmotný objekt, jehož pohyb se zrychluje či mění – není tedy perfektně sféricky symetrický jako při nafukování či smršťování koule, případně rotačně symetrický jako při rotaci disku nebo koule. Vezměme si na pomoc roztočenou káču: Zpočátku rotuje symetricky podél své osy, takže gravitační vlny nevyzařuje. Když se však rotace chýlí ke konci, káča při ní kolísá a tehdy vysílá zmíněné vlnění. Klasická dětská hračka je samozřejmě příliš malá, než abychom mohli její gravitační vlny zaznamenat současnými přístroji. Čím hmotnější však taková „káča“ je a čím rychleji rotuje, tím mohutnější vlny vznikají.

Předchozí část: Tajemství gravitačních vln: Gigantické vrásky v časoprostoru

Zdroje gravitačních vln ve vesmíru tak představují velké objekty, které se vzájemně obíhají. Rotující tělesa je pak vyzařují, pouze jsou-li nesymetrická, jako třeba planetky různých protáhlých tvarů. Gravitační vlny obvykle vysílají rovněž výbuchy supernov, pokud není rozpínající se mračno hmoty z exploze perfektně symetrické, což většinou skutečně není. Oproti tomu rotující disky a hvězdy, jež se nafukují a smršťují, gravitační vlnění převážně neprodukují.

Gravitační pozadí vesmíru

Zdrojem gravitačních vln by podle převažujícího názoru odborníků mohla být rovněž kosmologická inflace, tedy extrémně intenzivní a rychlé nafouknutí vesmíru, jež se zřejmě odehrálo v prvních momentech jeho existence. Mělo sice přibližně sférický tvar, ale nejspíš nebylo perfektně symetrické ve všech směrech. 

Jsou-li popsané představy správné, došlo tehdy k vyzáření gravitačních vln, které dnes tvoří tzv. gravitační pozadí vesmíru. Pokud ovšem daný signál existuje, je příliš slabý, než aby jej zachytily současné detektory. Budeme je tedy muset značně vylepšit, což však může trvat celé dekády. 

Jako nůž máslem

Objevy nových metod pozorování vesmíru obvykle vedou ke vzniku celých dalších odvětví astronomie. Platí to pro různé oblasti spektra elektromagnetického záření, kdy jsme po příslušných objevech začali kosmos pozorovat v oblastech rádiového, mikrovlnného, infračerveného, ultrafialového, rentgenového nebo gama-záření. Stejně tak první přímá detekce gravitačních vln, jež potvrdila jejich existenci, znamenala zrod zbrusu nové gravitační astronomie.

Gravitační vlny mají dvě zásadní vlastnosti, které z nich dělají zajímavý zdroj informací o vesmíru: Zaprvé, jejich vznik nevyžaduje přítomnost žádné další hmoty. Hmotné objekty je vyzařují pouhým pohybem, pokud tento splňuje výše uvedené předpoklady. A za druhé se dané vlnění může šířit skrz jakoukoliv hmotu, aniž by se podstatně rozptýlilo. Například světlo hvězd nám snadno zablokují mračna kosmického prachu, na jehož částicích se viditelné záření rozptyluje. Takové oblaky se přitom ve vesmíru vyskytují běžně a často na velmi zajímavých místech, jež bychom pozorovali rádi, ale právě kvůli prachu nemůžeme. Gravitační vlny však takovým mračnem projdou jako nůž máslem a nijak je to neovlivní.

Extrémní dvojice

Gravitační vlny sice vyzařují všechny hmotné objekty, které se pohybují vhodným způsobem, ale s jejich detekcí jsme teprve na počátku. Naše přístroje mohou zachytit dané vlnění z objektů, jež jsou typicky extrémně hmotné a pohybují se značnou, přímo astronomickou rychlostí. Z toho plyne, že hlavní zdroj gravitačních vln, které dnes pozorujeme, tvoří kompaktní binární systémy extrémních objektů.

Nejčastěji sledujeme vlnění, jež příslušná dvojice vyslala těsně před srážkou a splynutím. Jde o typický úlovek pozemních gravitačních observatoří, k nimž patří LIGO a Virgo. Může se přitom jednat o páry černých děr, neutronových hvězd či třeba bílých trpaslíků, případně o dvojice, v nichž jsou zastoupeny různé typy uvedených objektů. V lednu 2020 zachytily gravitační observatoře poprvé srážku, nebo spíš „zhltnutí“ neutronové stálice černou dírou. 

Nejhlasitější v kosmu

Většina hvězdných ostrovů ukrývá supermasivní černé díry o hmotnosti statisíců, milionů, a někdy i miliard sluncí. Při splynutí galaxií, které v kosmu nepředstavuje nijak výjimečnou událost, se po nějakém čase obvykle přiblíží, srazí a splynou i jejich supermasivní černá monstra. Gravitační vlny, jež při takových událostech vznikají, budou patrně „nejhlasitější“ v celém vesmíru. 

V případě dvojic supermasivních černých gigantů o hmotnosti milionů sluncí by mohly příslušné vlnění zachytávat kosmické observatoře jako LISA. Při detekci gravitačních vln z páru „mamutích“ supermasivních černých děr s hmotnostním ekvivalentem miliard Sluncí by se pak mohla uplatnit tzv. pole pulzarů.

Dokonce i struny

Badatelé věří, že bychom časem mohli detekovat gravitační vlny i z dalších objektů, jež netvoří součást binárních systémů. Již zmiňované exploze supernov, které nejsou dokonale symetrické, by měly produkovat gravitační vlnění o vysokých frekvencích – a mohly by ho zachytit pozemní observatoře jako LIGO či Virgo. Rotující neutronové hvězdy by měly tvořit zdroj kontinuálního gravitačního vlnění, rovněž o vysokých frekvencích. Existuje-li gravitační pozadí vesmíru, mohla by ho v budoucnu detekovat pole pulzarů nebo podobné experimenty. 

TIP: Nedávno detekované gravitační vlny pocházejí z nového typu vesmírné srážky

A dokonce i kosmické struny – dosud jen hypotetické objekty v podobě nesmírně tenkých dlouhých trubic, jež možná vznikly v počátcích vesmíru – by měly vyzařovat gravitační vlny. Jejich detekce by pak znamenala průlomový objev a potvrzení existence těchto podivuhodných objektů. Jak je vidět, v gravitační astronomii se máme na co těšit…