Gravitační vlny

Gravitační vlny jsou rychlostí světla se šířící vlnění gravitace, která se podle obecné teorie relativity projevuje zakřivením časoprostoru. Albert Einstein v roce 1916 předpověděl, že zrychlení velmi hmotných celků by mělo generovat gravitační vlny, podobně jako zrychlení nabitých částic generuje elektromagnetické vlnění. První přímý důkaz gravitačních vln byl pozorován 14. září 2015 na americkém systému LIGO na základě současného pozorování laserového paprsku na dvou identických, ale geograficky vzdálených detektorech.

Zdroje gravitačního vlnění

Gravitační vlny vznikají při vzájemném pohybu těles v gravitačním poli, jejich významnými zdroji jsou však především těsné binární systémy kompaktních hvězd (černých děr, neutronových hvězd) v konečném stádiu jejich vývoje (srážky doprovází patrně mnohonásobný čerp gravitačních vln),^[1] výbuchy supernov a jiné srážky černých děr. Zdrojem gravitačních vln tedy může být určitý nerovnoměrný (ryv) pohyb hmoty, ke kterému dochází v relativně malé oblasti prostoru při relativistických rychlostech.

Detekce gravitačních vln

Původně se očekávala^[2] detekce (dodnes nedetekovaných) kontinuálních gravitačních vln,^[3] k čemuž měl od počátku dopomáhat i projekt Einstein@Home. První přímé pozorování gravitačních vln ze splynutí vesmírných objektů proběhlo 14. září 2015 (10:51 SEČ) v detektoru LIGO označované jako GW150914,^[4] v době, kdy byl tento detektor ještě v testovací fázi. Tento detektor je tvořen dvěma rameny o délce 4 km, do nichž jsou ve vakuu vyslány dva identické laserové paprsky, které se na konci ramen odrazí od zrcadel a v místě styku se v interferometru porovnají.^[5] Pokud zařízením projde gravitační vlna, délky obou ramen se nepatrně změní a paprsky se potkají fázově posunuté.^[6] Zachycené gravitační vlny vznikly při srážce dvou černých děr, jejichž hmotnost se pohybovala kolem 29 a 36 Sluncí, a které byly od nás vzdáleny 1 až 1,5 miliardy světelných let. Vzhledem k malé směrovosti experimentu není možné určit, kde se uvedené černé díry nacházely.^[6] Ukazuje se, že signály ze sloučení jsou častější než se předpokládalo a modely pro slučování takto hmotných těles vůbec nepředpokládaly, že k nim může dojít za miliardy let.^[7] Fermi Gamma-ray Space Telescope následně pozoroval gama záblesk, ovšem interpretace se liší.^[8] Dalším kandidátem z října je událost se slabším signálem označovaná jako LVT151012, které odpovídá hmotnost dvojice o 13 a 23 hmotnostech Slunce.^[9]

Mezi další detektory, snažící se zachytit gravitační vlny, patří např. VIRGO. Připravuje se též projekt eLISA, který by pracoval na stejném principu jako LIGO, ale nacházel by se na oběžné dráze kolem Slunce a délka jednotlivých ramen by se pohybovala kolem milionu kilometrů.^[10]

Spolupráce detektorů LIGO a VIRGO umožnila směrovou lokalizaci událostí, které jsou zdrojem gravitačních vln. Vedle další detekce gravitačních vln ze splynutí černých děr^[11] společně zaznamenaly i vlny ze splynutí neutronových hvězd. Díky směrové lokalizaci bylo možno potvrdit, že bylo pozorováno i světelné záření z této události.^[12][13]

Roku 2023 byla publikována analýza změn časování pulsů z pulsarů pozorovaných několik let. Příčinou jsou patrně obří černé díry.^[14] Amplitudy jsou mnohonásobně větší než u běžných černých děr, ale také periody vln jsou mnohonásobně větší.

Nepřímé důsledky gravitačních vln byly pozorovány už dříve: Russell Alan Hulse a Joseph Hooton Taylor, Jr. objevili, že perioda oběhu pulzaru PSR B1913+16 kolem jeho průvodce se vlivem vyzařování gravitačních vln zkracuje v souladu s předpovědí obecné teorie relativity. Za tento objev byla v roce 1993 udělena Nobelova cena.

Odlišení gravitační vlny

Aby bylo možné odlišit gravitační vlnu od zakřiveného pozadí, je nutno oddělit tu část křivosti, která je vyvolána vlnou, od části křivosti, která přísluší zakřivenému prostoročasu. Toto oddělení je možné pouze tehdy, je-li charakteristická vlnová délka $\lambda$ gravitační vlny mnohem menší než charakteristický poloměr křivosti $\rho$ prostoročasu, na jehož pozadí se vlny šíří, tzn.

$\lambda \ll \rho$

Vlastnosti

Gravitační vlny přenášejí energii, která je ekvivalentní hmotnosti. Tato energie tedy opět působí jako zdroj gravitačního pole. Z toho důvodu se také budou dvě gravitační vlny při svém setkání vzájemně ovlivňovat, např. se budou rozptylovat. Tím se gravitační vlny odlišují např. od vln elektromagnetických, které nepřenášejí elektrický náboj, proto také při setkání dvou elektromagnetických vln nedochází k jejich ovlivnění (obě elektromagnetické vlny vzájemně projdou, aniž o sobě vědí).

Kosmologická konstanta by však mohla mít vliv na to, jak se šíří.^[15]

Reference

Související články

• Interferometrický detektor gravitačních vln
• Obecná teorie relativity
• Vlnění

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Gravitační vlny na Wikimedia Commons
• Slovníkové heslo gravitační vlna ve Wikislovníku
• Ullmann, V.: Gravitace, černé díry a fyzika prostoročasu