Na naše otázky odpovídá doc. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc., který se na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze zabývá teoretickou fyzikou, především teorií relativity a studiem gravitačních vln.
Mohl byste popsat podrobněji experimenty, které mají za cíl detekci gravitačních vln?
S prvními detektory gravitačních vln přišel před více než 40 lety průkopník tohoto oboru Joseph Weber. Byly to takzvané rezonanční detektory, konkrétně mnohatunové hliníkové válce, o nichž Weber předpokládal, že se přicházející vlnou vhodné frekvence rozezvučí. I když se citlivost těchto detektorů neustále vylepšuje, žádné gravitační vlny se jim zatím objevit nepodařilo. Mnohem větší naděje se proto dnes vkládají do jiného typu detektorů gravitačních vln – do obřích laserových interferometrů. To jsou opravdu gigantické a unikátní přístroje. Interferometry amerického detektoru LIGO mají ramena dlouhá 4 kilometry a obdobný evropský detektor Virgo má ramena dlouhá 3 km.
Gravitační vlna přicházející z vesmíru deformuje prostoročas a tím i detektor, a to takovým způsobem, že jedno jeho rameno zkrátí, zatímco druhé současně prodlouží – a pak periodicky naopak. Tím dochází k posuvu interferenčních proužků. Citlivost uvedených zařízení je opravdu neuvěřitelná: dokážou zaznamenat relativní deformace menší než 10 na –22. Při svých kilometrových rozměrech to znamená, že detekují změny vzdáleností, které jsou tisíckrát menší než rozměr protonu. Něco takového zatím žádné jiné zařízení nedokázalo.
A co plánovaný detektor LISA?
To by měl být také laserový interferometr, ale umístěný v kosmickém prostoru. Měly by ho tvořit tři družice, každá v jednom vrcholu pomyslného rovnostranného trojúhelníka o stranách 5 milionů kilometru, jež by obíhaly kolem Slunce. Citlivost tohoto detektoru gravitačních vln by měla být obdobná jako u pozemních interferometrů, dokázal by však měřit vlny s frekvencemi menšími než tisícina hertzu, tedy v oblasti, kterou pozemské detektory díky všudypřítomnému seismickému rušení nebudou schopny nikdy studovat. Měl by spolehlivě spatřit gravitační vlny z existujících binárních systémů.
Kdy tedy můžeme očekávat první úspěšné změření gravitačních vln?
Těžko říct. Albert Einstein teoreticky předpověděl existenci gravitačních vln jako důsledek své obecné relativity již před 90 lety. Ani rezonanční ani interferometrické detektory je však zatím přímým způsobem nezaznamenaly.
Jsme si ale už prakticky jisti, že gravitační vlny nejsou jen fantazií a že opravdu existují. Máme pro to silný důkaz opírající se o dlouhodobá pozorování binárního pulzaru se jménem PSR 1913+16, který v roce 1974 objevili astronomové Taylor a Hulse. Tento systém tvoří dvojice vzájemně blízkých neutronových hvězd ve vzdálenosti 16 tisíc světelných let od Země. Oběžná doba hvězd se postupně zkracuje, protože gravitační vlny odnášejí energii. Měřené zkracování je přitom ve vynikajícím souladu s hodnotou, kterou předpovídá Einsteinova obecná teorie relativity. Shoda je tak přesvědčivá, že v roce 1993 byla objevitelům zmíněného binárního pulzaru udělena Nobelova cena za fyziku, což lze de facto považovat za oficiální uznání existence gravitačních vln.
Pokud jde o jejich přímou detekci, největší naděje se vkládají do interferometrické observatoře LIGO, která už dnes má plánovanou citlivost 10 na –22. Právě nyní probíhá soustavné měření, které začalo v listopadu roku 2005 a má skončit v červenci 2007. To už je dostatečně dlouhá doba na to, aby se v blízkém vesmíru během ní odehrálo několik srážek černých děr nebo neutronových hvězd a případně výbuchů supernov. Gravitační vlny z těchto událostí by měly být podle teoretiků pomocí LIGO měřitelné. Ať už jsme optimisty nebo pesimisty, zatím nám nezbývá nic jiného než čekat…
Úryvek z rozhovoru, jehož části již na Science Worldu vyšly.
Návrat kosmologické konstanty
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/9500DAA51F9D7AB1C1257126004DC149
Smrt baryonů
http://www.scienceworld.cz/sw.nsf/ID/A1FA51DBCFDF0B7BC1257126004E329F
Úplná podoba se objeví v připravované sbírce rozhovorů s autory Science Worldu Kapka metanového deště.
