Detekce gravitačních vln – první dojmy

09.10.2016 14:47

 

Co nám vlastně přináší historické přímé zachycení gravitačních vln?

 

Splynutí černých děr. Kredit: Bohn et al 2015, SXS team.
Splynutí černých děr. Kredit: Bohn et al 2015, SXS team.

Publicisté na celém světě nyní komentují právě oznámenou detekci gravitačních vln jako revoluci ve fyzice. Detekce gravitačních vln skutečně představuje vědeckou revoluci, ale poněkud specifického druhu. Oznámená úspěšná detekce ukazuje se, že velmi nesamozřejmé představy o prostor a čase, vycházející z Einsteinovy teorie relativity formulované právě před 100 lety, nejsou pouhou abstraktní chimérou.

 

 

 

Často se hovoří o testech obecné teorie relativity (OTR). Ke klasickým testům OTR se obvykle počítá stáčení perihelia Merkuru, jehož relativistická trajektorie je ve sféricky silném gravitačním poli Slunce odlišná od newtonovského popisu, dále ohyb paprsků v gravitačním poli neboli gravitační lensing, poprvé experimentálně testovaný Eddingtonem při úplném zatměni Slunce v roce 1919, a konečně Poundův-Rebkův experiment ukazující závislost toku času na gravitačním potenciálu. Proběhly i testy principu ekvivalence, rovnosti setrvačné a gravitační hmotnosti.

 

Silně zářící binární hvězdné systémy obsahující relativisticky kompaktní objekty, o kterých předpokládáme, že jsou neutronovými hvězdami nebo černými děrami, vykazují chování konzistentní s relativistickými předpověďmi. Stejně tak záření kvasarů a aktivních galaktických jader lze těžko vysvětlit jinak, než uvolňováním energie hmoty akreované supermasivní černou dírou. Pozorované binární systémy dvou pulsarů zkracují své orbitální periody a ztrácejí tak energii s vysokou přesností dle relativistických předpovědí o uvolňování energie gravitačními vlnami. Přesto však dneška mohl přetrvávat určitý stín pochybností o platnosti OTR, i díky mysteriózním fenoménům temné energie a temné hmoty. Gravitace také stojí stále mimo vysoce úspěšný standardní model zbývajících tří fundamentálních sil.

 

 

Zakřivení časoprostoru. Kredit: LIGO / Caltech.
Zakřivení časoprostoru. Kredit: LIGO / Caltech.

Současný pokrok v observačních technologiích , obzvláště v družicových rentgenových observačních misích, je poměrně impozantní, avšak stále pozorujeme pouze slabý elektromagnetický signál mikrokvazarů, binárních systémů s neutronovými hvězdami, aktivních galaktických jader a kvazarů vzdálených tisíce až milióny parseků, který je silně zahlcený šumem. Naše interpretace variability i spektrálních vlastností signálu je s relativistickými modely vzniku záření v silné gravitaci zcela konzistentní, ale o neprůstřelně průkazné testování OTR v extrémně silném gravitačním poli se nejedná. Nemáme bohužel k dispozici mezihvězdné koráby, abychom prováděli přímá měření ve skutečně silném gravitačním poli poblíž horizontů černých děr, popřípadě se osobně přesvědčili o jejich existenci.

 

 

Ohlášená detekce gravitačních vln radikálně mění situaci. Samotná detekce gravitačních vln doplňuje klasické testy OTR o poslední chybějící článek. Neméně významné však je, že detekovaný signál odpovídá relativistickému modelu splynutí dvou černých děr. Jedná se tedy o spektakulární první test OTR v režimu extrémně silného a navíc dynamického gravitačního pole. Po dnešku lze důvodně konstatovat, že OTR nebo jí velmi blízká teorie je velmi pravděpodobně realistickým popisem gravitace. Pochybnosti o existenci černých děr a dalších vesmírných relativistických monster proto výrazně slábnou.

 

Obecná relativita gravitaci popisuje jako projev zakřivení čtyřdimenzionálního prostoročasu, ve kterém se hmotné částice i kvanta záření - fotony pohybují po nejpřímějších trajektoriích, odlišných od přímky. Zdrojem deformace prostoročasové geometrie je přítomnost hmoty a energie. V populárních prezentacích je často zakřivený prostoročas zobrazován pomocí deformované plochy, kdy prohlubně a dolíky reprezentují gravitační pole. Takový obrázek však postrádá zcela klíčovou ingredienci obecné relativity, časově proměnný a tedy dynamický charakter zakřivení prostoročasu.

 

Jaké objevy nás čekají příště? Kredit: LIGO / Caltech.
Jaké objevy nás čekají příště? Kredit: LIGO / Caltech.

 

Stejně jako na hladině rybníka se mohou šířit vodní vlny, tak na čtyřrozměrné hladině klidného prostoročasu se dle obecné teorie relativity mohou šířit deformace geometrie, nazývané gravitačními vlnami. Přítomnost gravitační vlny vlastně znamená, že se lokální geometrie prostoročasu v místě, kterým vlna prochází, v čase mění. Takovou změnu pak vnímáme jako změnu vzdáleností testovacích objektů, a to je přesně to, co detekují gravitační interferometry, jako je LIGO. Zatímco všechny úspěšné předešlé observační testy obecné relativity byly zaměřené na statické vlastnosti prostoročasu, detekce gravitačních vln poprvé potvrzuje jeho dynamický charakter.

 

Obecná teorie relativity je teorií silně nelineární, což je způsobeno tím, že energie samotného gravitační pole budí další gravitační pole. Proto je popis dějů a tedy i gravitačních vln v silném gravitačním poli extrémně obtížný a bez superpočítačů a numerického modelování neřešitelný. Nicméně, pokud se omezíme na slabé gravitační vlny daleko od zdrojů gravitačního záření , matematický formalismus jejich popisu je velmi blízký popisu elektromagnetických vln. Pro matematicky informovanější čtenáře lze dodat, že amplituda gravitačních vln má, na rozdíl od jejich elektromagnetických protějšků, tenzorový , nikoli vektorový charakter. Nicméně, obdobně jako u elektromagnetismu, lze rozlišit dva typy polarizace gravitačních vln. Dále se gravitační vlny, obdobně jako vlny elektromagnetické, šíří rychlostí světla a nenarušují proto kauzální strukturu prostoročasu. Takto popisované slabé gravitační vlny lze také bez větších problémů formálně kvantovat, a příslušné kvantum gravitační interakce dostalo název graviton.

 

V této chvílí je si ovšem třeba uvědomit gigantické technické komplikace při detekci slabého gravitačního záření. Už samotná gravitace je zcela suverénně nejslabší silou v našem vesmíru. Vysvětlení poměru míry gravitačního působení k intenzitě dalších fundamentálních interakcí v našem vesmíru je jednou z otevřených otázek. Často se v této souvislosti hovoří o bránovém univerzu, kde třídimenzionální vesmíry jakožto tzv. D-brány plují mnohorozměrným prostorem, bulkem. V takovém modelu gravitační interakce volně proniká napříč bulkem i D-bránami všech vesmírných světů, zatímco ostatní tři síly jsou vázány pouze na D-bránu našeho vesmíru a proto jsou námi vnímány jako podstatně silnější.

 

 

Nicméně, ať je mechanismus skrytý v pozadí gravitační interakce jakýkoli, detekce gravitačních vln vyžaduje změřit změnu délky ramen interferometru detektoru LIGO s přesností srovnatelnou s průměrem protonu. Technologie použité pro konstrukci gravitačního detektoru jsou proto nutně založeny na kvantové teorii popisující svět velmi malého, která je komplementární k relativistickému popisu našeho vesmíru na velkých škálách. Ač tedy nemáme k dispozici úplnou sjednocenou teorii všech interakcí, máme nesmírně pokročilou technologii, která relativistický i kvantový svět spojuje.

 

Detekce gravitačních vln dále ukazuje důležitý aspekt současného špičkového základního vědeckého poznání, kterým je extrémní finanční náročnost. Ve sklepě a na koleně se již nobelovské objevy dělat pravděpodobně nedají. Častá představa všech administrátorů státních rozpočtů, že je možno beztrestně omezovat rozpočty na vědu, protože vědci si přece nějak poradí, je katastroficky mylná. Domnívám se, že omezováním základního výzkumu fatálně podrýváme základy naší kultury a civilizace, která je velmi atraktivní i pro obyvatele zcela jiných kulturních okruhů pouze díky dosaženému vědeckotechnickému pokroku.

 

Oblíbené poukazovaní vědecké publicistiky na slabá a prozatím bílá místa na mapě našeho poznání vesmíru jistě podněcuje fantazii a kreativitu . Současná věda ale tak trochu zapomíná sdělovat veřejnosti, že žijeme v době, kdy blízkému a vzdálenému vesmíru poprvé začínáme alespoň trochu rozumět. Objev gravitačních vln není revolučním vědeckým průlomem v tom smyslu, že by bořil modly a zpuchřelé staré pravdy. Naopak, ukazuje, že exaktní věda, vrcholný produkt našeho západního civilizačního okruhu, je na správné a historicky pravděpodobně zcela jedinečné cestě poznávání universa.

Autor: Pavel Bakala

 

Kontakt