Když v kosmu hřmí: Nobelova cena za objev vlnění samého časoprostoru

„V roce 2010 již byly utraceny stovky milionů dolarů, vývoj stál desítky let úsilí – a výsledek nikde. Žádné gravitační vlny se nenašly,“ psal Respekt loni v únoru. Právě tehdy se ale situace změnila: Gravitační vlny, jejichž existenci předpověděl již Albert Einstein ve své obecné teorii relativity, byly díky zdokonaleným detektorům konečně zachyceny. A již letos dostali vědci z projektů Ligo a Virgo, obrovských observatoří, které vlnění samého časoprostoru ve Spojených státech a v Evropě detekují, za tento objev Nobelovu za fyziku. Rainer Weiss, Kip Thorne a Barry Barish se podíleli na vývoji laserových detektorů, které zachycení vln umožnily. Od objevu k jeho ocenění nobelovským výborem většinou uběhnou léta, nebo dokonce desítky let. V tomto případě to netrvalo ani dva roky. Při této příležitosti citovaný článek odemykáme. Pokud podobné texty oceňujete a chcete je číst pravidelně, staňte se předplatitelem Respektu.

Je rok 1963 a Maarten Schmidt si v Los Angeles láme hlavu nad elektromagnetickým spektrem jedné zvláštní hvězdy. Z čeho je udělaná, že tak divně září? Vtom mu to ale došlo, prapodivná hvězda může být z docela běžných chemických prvků, jen je spektrum celé posunuté. Dnes si většina vědců myslí, že tyto hvězdy, takzvané kvasary, jsou vzdálené černé díry bouřlivě požírající hmotu ve svém okolí.

Je rok 1965 a nacházíme se v New Jersey. Astronomové Arno Penzias a Robert Wilson došli k závěru, že nemají na vybranou a musí zastřelit holuby, kteří se neustále vracejí do jejich rádiové antény. Nepomohlo to však, přísun holubího trusu sice ustal, anténa přesto neustále hlásila rádiový šum přicházející ze všech stran, z celého vesmíru. Existence tohoto dnes již detailně proměřeného šumu, známého jako reliktní záření, je jedním z nejpádnějších argumentů pro teorii velkého třesku.

Je červen 1967 a tým vědců v Los Alamos zaznamenává na svých družicích Vela zvláštní záblesk gama-záření. Družice Vela měly sledovat, jestli Rusové ve vesmíru neporušují dohodu o zákazu testování jaderných zbraní, ale daný záblesk se neshodoval se signaturou žádné známé jaderné bomby. Tým proto záznam založil a dál se mu nevěnoval. Další a další pozorování záhadných gama-záblesků však ukázala, že nemohou pocházet z naší sluneční soustavy, ba dokonce ani z naší galaxie, ale z nějakých nepředstavitelně prudkých a násilných procesů kdesi daleko ve vesmíru. Dodnes přesně nevíme, co je jejich podstatou.

Co spojuje tato a mnohá další revoluční pozorování? Nepředvídatelnost. Maarten Schmidt používal nový rádiový teleskop k „rutinnímu“ sledování hvězd a neměl v úmyslu objevit kandidáty na černé díry. Penzias a Wilson se snažili odstranit rušivý šum z nové antény, kterou chtěli využít k úplně jinému výzkumu. A vojenské družice Vela rozhodně neměly pátrat po záhadných záblescích, jejichž zdroj dokonce ani neleží v Mléčné dráze.

Často se stává, že otevřeme nové okno do vesmíru, použijeme nový typ teleskopu nebo družice – a najdeme něco nečekaného. Dosud jsme však otevírali jen „okna“ pro elektromagnetické záření; jinými slovy, využívali jsme k pozorování „světlo“, jen o frekvencích vyšších nebo nižších než jsou ty, které registruje lidské oko. Během posledních zhruba padesáti let však výzkum mířil i úplně novým směrem; co by asi tak spatřil „dalekohled“ schopný vnímat gravitační vlny, chvění samotného prostoročasu?

Sázka na černého koně

Elektromagnetické vlny vznikají, když se urychlují nabitá tělesa. Zatřeseme-li elektronem, začne vyzařovat vlnění, díky čemuž fungují běžná zařízení, jako je rádiový vysílač či mikrovlnná trouba. S gravitačními vlnami je to podobné: vznikají vždy, když se urychlují hmotná tělesa. Tančí-li okolo sebe v gravitačním objetí dvě černé díry nebo neutronové hvězdy, hřmějí gravitačními vlnami – vyzařují gravitační záření.

Náznak existence gravitačních vln poprvé objevil před sto lety Albert Einstein ve své obecné teorii relativity. Gravitace je podle ní vlastností prostoročasu a gravitační vlna představuje vzruch šířící se právě v prostoročasu samotném. Ani sám Einstein však neměl v interpretaci těchto vzruchů zprvu jasno a desítky let trvalo, než se ohledně gravitačního záření vědci shodli na všech detailech.

Nepřímé důkazy, že to celé není pouhý výmysl, tu však byly: Od roku 1974 například pozorujeme takzvaný Hulseův-Taylorův binární pulsar, systém dvou neutronových hvězd, které okolo sebe krouží v těsném valčíku přesně podle not teorie relativity a odpovídajícího vyzařování gravitačních vln. Gravitační záření totiž ze systému odnáší energii, hvězdy se kvůli tomu k sobě přibližují a oběh trvající pouze asi osm hodin se zrychluje, každý rok o zlomek sekundy – přesně tak, jak předpověděly Einsteinovy rovnice. I proto jsme v posledních desetiletích vsadili obrovské peníze na to, že gravitační vlny existují a že je budou černé díry a neutronové hvězdy vyzařovat naším směrem.

První návrhy, jak postavit detektory schopné vibrace prostoročasu zachytit, se objevily již v šedesátých letech minulého století. Vědci od Spojených států přes Německo, Itálii až po Sovětský svaz začali konstruovat aparatury, které se zpočátku vešly na obyčejný stůl. Postupně však začalo být jasné, že to – mírně řečeno – nebude stačit. Z metrů se staly desítky metrů, až jsme nakonec skončili u čtyřkilometrových ramen současného nejlepšího detektoru LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Laserově-interferometrická gravitační observatoř), v nichž měří laserový paprsek přesnou polohu vzdálených zrcadel (viz rámeček).

Observatoř LIGO je nejdražším projektem v historii americké Národní vědecké nadace, která na ni celkem vydala okolo šesti set milionů dolarů, tedy asi čtrnáct miliard korun (na projektu se také výrazně finančně podílely Německo a Velká Británie). Postavena byla hlavně proto, aby studovala systémy podobné zmíněnému pulsaru, tedy dvojice objektů o hmotnosti několikanásobku Slunce, jež se k sobě blíží až do hořkého konce vzájemné srážky. „Naslouchat“ chvění prostoročasu začala v roce 2002, o několik let později se k ní připojila podobná evropská observatoř Virgo vybudovaná v Itálii.

Jenže se žádné gravitační vlny nenašly. V roce 2010 již byly utraceny stovky milionů dolarů, vývoj stál desítky let úsilí – a výsledek nikde. Je snad s obecnou relativitou něco špatně? Spíše se všichni klonili k tomu, že první verze detektorů byla zkrátka málo citlivá. Mohla by něco naměřit jen s mimořádnou dávkou štěstí na „vesmírné počasí“, tedy na výskyt srážek hvězd a černých děr v našem vesmírném sousedství.

Vlnění prostoročasu tak dostalo ještě jednu šanci k obhajobě. Americká observatoř LIGO i její evropský protějšek byly na několik let odstaveny kvůli úpravám a zvýšení citlivosti. Loni v září pak LIGO znovu zahájila měření.

Výhled z okna

Je čtvrtek 11. února 2016, zhruba měsíc po ukončení prvního měřicího období vylepšené a vyladěné LIGO, a v decentním novinářském salonku ve Washingtonu na svá místa usedají důležité postavy amerického projektu. Současně se usazují vědci a novináři i na simultánních tiskových konferencích v Paříži, Londýně nebo italské Cascině. Brzy je jasno: „Dámy a pánové, detekovali jsme gravitační vlny,“ oznamuje americký fyzik David Reitze za jásotu a potlesku přítomných. Následují detaily: odkud zhruba signál přicházel, kdy se vydal na cestu, podrobnosti o dvou černých dírách obíhajících kolem sebe, jejichž srážka rozvlnila prostoročas (viz Respekt.cz/Zkumavka, pozn. red.).

Zachycený signál je „nejpřímějším“ pozorováním černé díry v historii. Ukázal, že se tyto objekty podle všeho chovají přesně tak, jak předpovídá teorie relativity. V ní jsou totiž černé díry vlastně nesmírně jednoduchými útvary charakterizovanými jen svou hmotností a rychlostí rotace. Nezáleží tedy na tom, jestli se před vámi gravitačně zhroutí oblak prachu či nesmírně pestrá mimozemská civilizace, jako černá díra to vše vypadá stejně – veškerou informaci černá díra totálně vyhladí nebo vyzáří a zbude pouze základní temný objekt bez jakékoli pestrosti a struktury.

Existují ale i jiné teorie gravitace, které říkají něco jiného. Černá díra by podle nich měla mít zvláštní strukturu, měla by obsahovat více informace. V dalších teoriích naopak objekty typu černých děr ani neexistují. Mnoho z těchto konceptů bude mít problém pozorování detektoru LIGO vysvětlit a některé mohou upadnout v zapomenutí. Teorie relativity ovšem v tomto pozorování obstává bez ztráty kytičky a není důvod ji ničím nahrazovat.

Nebo je? Obecná relativita může být součástí nějaké hlubší, zásadnější teorie, již dosud neznáme. Právě extrémní jevy typu srážky černých děr by mohly prozradit, kde ji hledat. O různých nápadech se ostatně začalo znovu diskutovat jen pár hodin po ohlášení objevu. Například Steve Giddings, profesor na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, hned v pátek po tiskové konferenci publikoval odborný článek o důsledcích kvantové struktury černých děr pro gravitační vlny. Nastiňuje v něm všechny možnosti, jak se může v principu lišit srážka černých děr v teoriích, které se od Einsteinovy relativity odchylují. Stručně – charakteristický podpis gravitačních vln je v mnoha teoriích skutečně jiný a jeho detailnější měření by mohlo mezi různými přístupy rozhodnout.

Nejprve ovšem musíme zjistit něco jiného: skutečně podobné signály jako ten, který jsme zachytili, ohlašují srážku černých děr? Tanja Hindererová, vědkyně pracující střídavě v Ústavu Maxe Plancka pro fyziku gravitace (Ústavu Alberta Einsteina) poblíž Berlína a na Univerzitě v Marylandu, pro Respekt poznamenává, že úplně jisté to není – signál se shoduje s tím, který by srážka vyvolala, jen v rámci experimentální chyby, nikoli stoprocentně. Když však astronomové namířili svoje teleskopy směrem k jeho zdroji, nezaznamenali žádné stopy možné srážky dvou hvězd – elektromagnetické záření či přilétající neutrina. Nejspíš šlo tedy skutečně o kolizi černých děr, definitivně to však potvrdí až budoucí měření.

Do výzkumu se brzy zapojí i zdokonalené evropské Virgo a celá síť pak bude schopná navíc přesně určit polohu zdroje gravitačního záření. Pracuje se také na projektu Event Horizon Telescope (Teleskop horizontu událostí), který bude fakticky celou Zemi používat jako jeden velký dalekohled, jenž by měl poprvé „vyfotit“ černou díru a její okolí pomocí rádiových spíše než gravitačních vln.

Stejně vzrušující je i projekt Evropské vesmírné agentury nazvaný eLISA, něco na způsob detektoru LIGO, umístěného ovšem v kosmu. Vesmír je klidné místo nabízející dostatek prostoru pro měření, díky čemuž by eLISA měla zachytit i slabší signály z dalších astrofyzikálních procesů, třeba „vcucnutí“ relativně malé černé díry či neutronové hvězdy do gigantické supermasivní černé díry, která je ve středu naší galaxie. Jindy by mohla naslouchat náhodným prostoročasovým vzruchům, jež létají vesmírem už od dob velkého třesku, déle než reliktní záření zmíněné na začátku článku. Zatím vědci vyslali loni v prosinci do vesmíru družici eLISA Pathfinder, která má testovat principy, jež by budoucí kosmický detektor využíval.

Zahálet samozřejmě nebude ani LIGO. Poté co vědci obdrží Nobelovy ceny a jiné případné vavříny, přinesou nejspíš další překvapivé poznatky o černých dírách, neutronových hvězdách a o gravitaci. Nové okno je přece otevřené.

Autor studuje teoretickou fyziku na Univerzitě v Brémách.