Gravitační vlny jsou fenomén, který nás provází již více než sto roků. Jejich existenci máme nicméně spolehlivě potvrzenou až od 70. let, přímo jsme je spatřili dokonce až roku 2015. Zasloužily se o to dva detektory LIGO ve Spojených státech amerických, které viděly splynutí dvou černých děr asi 1,5 miliardy světelných let od nás. Později se k nim přidaly taktéž detektory VIRGO v Itálii a KAGRA v Japonsku, které zaznamenaly dohromady do konce roku 2021 91 gravitačních událostí. A protože v tuto chvíli probíhá již čtvrtý běh detektorů a výsledky opět nejsou nezajímavé, společně se na ně dnes podíváme v prvním dílu nepravidelného seriálu, který vám bude přinášet novinky právě z této nesmírně zajímavé a perspektivní oblasti výzkumu.

Gravitační vlny a jejich pozorování

3D vizualizace gravitačních vln.
Zdroj: https://images.ctfassets.net/

Na úvod nového seriálu si jen stručně zopakujme základní informace o gravitačních vlnách. Ty jsou, jak už název napovídá, projevem gravitační interakce. Svým způsobem se tak podobají vlnám elektromagnetickým, což jsou jediné dvě dosud známé dlouhodosahové fyzikální síly. Předpověděl je už v roce 1916 sám autor obecné teorie relativity Albert Einstein. Protože je však gravitační síla hodně slabá (ve srovnání s ostatními fyzikálními interakcemi) a kvůli tomu, že k vyvolání gravitačních vln potřebujeme poměrně složitou kvadrupólovou asymetrii, objevili fyzikové první důkazy o jejich existenci až v 70.letech.

Zasloužili se o to američtí fyzikové Russell Hulse a Joseph Taylor, kteří pomocí obřího radioteleskopu v Arecibu na Portoriku (dnes již bohužel neexistuje) sledovali binární systém PSR B1913+16 složený z neutronové hvězdy a pulsaru. Díky pravidelným pulsům, které od pulsaru přichází, mohli Hulse a Taylor spatřit, jak se k sobě obě složky soustavy neustále přibližují po spirálovité dráze, až se nakonec za mnoho milionů let srazí. V systému tedy ubývá energie, ta se ovšem nikam neztrácí, ani nemůže, známe přece zákon zachování energie. Ve skutečnosti odnášejí přebytečnou energii ze systému pryč právě gravitační vlny. Americká dvojice tak provedla první důkaz existence gravitačních vln a není divu, že oba muži obdrželi Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1993.

První přímé měření gravitačních vln v historii (GW150914), které se podařilo díky detektorům LIGO.
Zdroj: https://www.ligo.org/detections/

Na první přímé pozorování jsme si ovšem museli počkat až do roku 2015 kdy američtí odborníci právě spouštěli dva vylepšené interferometrické detektory LIGO. Ty v původní konstelaci nic nenaměřily. Podařilo se však sehnat peníze na jejich renovaci a to se vyplatilo. Již ve zkušebním provozu totiž oba detektory 15. září 2015 zachytily signál, který se posléze podařilo ztotožnit se srážkou dvou černých děr. Objev byl zveřejněn na tiskové konferenci v únoru 2016 a tři klíčoví muži projektu LIGO, Kip Thorne, Rainer Weiss a Barry Barish získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2017. Od té doby se při třech bězích podařilo spatřit celkem 91 gravitačních událostí. Většina je srážka černých děr, už jsme ovšem viděli i srážky dvou neutronových hvězd, případně dvojice černá díra a neutronová hvězda.

Nedávno se konečně objevily první seriózní pozitivní výsledky i z metody Pulsar Timing Array (PTA). Při ní se sledují časové změny v příchodu signálu z vybraných pulsarů. Jde o velmi nadějnou techniku, donedávna jsme však neměli dostatečnou statistiku pozorování. Celá věc je ztížena tím, že se pozoruje hlavně v rádiové části spektra, kde mají elektromagnetické vlny nejnižší energii. Před několika měsíci však společně několik projektů používajících tuto metodu zveřejnilo výsledky, které jsou velmi nadějné. Pravděpodobně vidíme gravitační pozadí tvořené vlnami vzniklými při srážkách supermasivních černých děr. Pro definitivní potvrzení objevu však přece jen potřebujeme ještě nějaký čas, abychom získali vyšší statistiku.

Současný stav interferometrických detektorů

LIGO Livingston (stát Louisiana).
Zdroj: https://www.ligo.caltech.edu/

Jak vidíme, obor, který byl nedávno v podstatě mrtvý, je nyní ve velmi dobré fázi, kdy se mimořádně bouřlivě vyvíjí. Nová data stále přicházejí a plánují se nové projekty. Zaměřme se nyní ale ještě na observatoř LIGO a další spolupracující interferenční detektory KAGRA a VIRGO. V letošním roce došlo ke spuštění detektorů LIGO do čtvrté pozorovací fáze. Přidat by se časem měly i italský detektor VIRGO a japonský interferometr KAGRA. V současnosti tedy máme, v ideálním případě, k dispozici čtyři funkční interferometrické detektory gravitačních vln.

Italský interferometr VIRGO.
Zdroj: https://www.tifpa.infn.it/

Respektive, dokonce pět. V USA stojí dva detektory LIGO, jeden je umístěn v lokalitě Hanford ve státě Washington, druhý u města Livingston ve státě Louisiana. Dále zde máme italský interferometr VIRGO, který najdeme nedaleko města Pisa. Pokud tedy někdy pojedete navštívit šiknou věž, můžete si pár kilometrů a podívat se i na jeden z vrcholů současné lidské techniky, detektor gravitačních vln. Pochopitelně se nedostanete dovnitř tubusů, kde probíhají laserové svazky, ale zvenku je detektor celý přístupný. V Japonsku pak nedávno zprovoznili první plně kryogenní a podzemní detektor KAGRA, který byl zbudován ve slavné lokalitě Kamioaka, kde se nachází třeba i neutrinové observatoře Kamiokande a Super-Kamiokande.

GEO600 v Německu.
Zdroj: https://www.geo600.org/

Kde je tedy ten pátý, ptáte se? Kupodivu nedaleko českých hranic. Našli bychom ho kousek od německého města Sarstedt, asi dvacet kilometrů jižně od známého města Hannover. Proč jsem ho ve výčtu původně zapomněl? Zatímco LIGO, VIRGO a KAGRA mají ramena dlouhá 3, respektive 4 kilometry, u německého detektoru GEO 600 je to jen 600 metrů. Ve skutečnosti tak německá observatoř gravitační vlny v podstatě zachytit nemůže, leda, že by šlo o nějakou mimořádně blízkou a energetickou událost. GEO 600 tak v současnosti slouží spíše jako testovací stav, kde se zkouší technologie pro větší zahraniční detektory.

Nová pozorování kolaborace LIGO

Zrcadla v interferometru LIGO. Vlastní zrcadlo sloužící jako testovací hmota pro hledání gravitačních vln je až zcela dole. Takováto složitá konstrukce je nutná k odfiltrování všech možných zdrojů šumu.
Zdroj: https://www.ligo.caltech.edu/

Čtvrtá fáze pozorování interferometrických detektorů (O4) se původně měla rozběhnout v březnu letošního roku, nicméně vědci nakonec na přípravu přístrojů potřebovali o něco více času. To bylo způsobeno jednak technickými problémy s detektory, jednak i zpožděním předchozí kampaně, který byla kvůli pandemii COVIDu-19 předčasně ukončena v březnu 2020. COVID ovšem pochopitelně gravitační detektory ovlivňoval i později.

Proto nakonec začala přípravná fáze detektorů LIGO až na přelomu dubna a května. Vědecká fáze pak začala 24. května a očekává se, že potrvá 20 měsíců, ovšem s tím, že dva měsíce budou vyhrazeny na údržbu detektorů. Reálně proto budeme mít data z 18 měsíců. Jak bylo nedávno oznámeno, pauza nakonec proběhne mezi lednem a březnem 2024. Dojde nejen k údržbě detektorů, ale i jejich vylepšení, takže po opětovném spuštění budou mít díky sníženému šumu ještě vyšší citlivost.

Kontrolní místnost observatoře VIRGO.
Zdroj: https://www.virgo-gw.eu/

Další detektory se prozatím pozorování neúčastní, avšak od března 2024 by se snad mělo zapojit VIRGO. KAGRA původně měla odstartovat pozorování již v lednu 2024, ale jelikož oblast, kde je umístěno zasáhlo silné zemětřesení, probíhá aktuálně zkoumání škod. Pokud k nějakým došlo, a zdá se bohužel, že některá zařízení skutečně poškozena byla, budou muset japonští odborníci prozatím nechat detektor odstavený a co nejrychleji provést nezbytné úpravy a vylepšení.

K 1. únoru 2024 pozorovaly detektory LIGO v průběhu O4 již 128 událostí, které jsou nyní kandidáty na gravitační vlny. Z toho v květnu 10, v červnu 17, v červenci 17, v srpnu 15, v září 14, v říjnu 16, v listopadu 13, v prosinci 8 a v lednu 4. Co se týče zdrojů, statistika se příliš nezměnila, většinu událostí tvoří splynutí dvou černých děr, máme také dva kandidáty na srážku neutronových hvězd a dva na srážku neutronové hvězdy s černou dírou.

Známé černé díry objevené díky gravitačním vlnám (modře) a díky elektromagnetickému záření (červeně). Šedě je naznačena předpokládaná šířka hmotnostní mezery.
Zdroj: https://bigthink.com/

Některé zaznamenané případy jsou ovšem poněkud divnější. Ve třech případech se zdá, že je výsledný objekt součástí tzv. hmotnostní mezery. Oč jde? Podle teorie by neutronové hvězdy měly mít určitou maximální možnou hmotnost. Naopak hvězdné černé díry by měly mít jistou minimální hmotnost, která je nicméně zřejmě vyšší, než onen maximální limit u neutronových hvězd. Toto rozmezí mezi maximem hmotnosti neutronových hvězd a minimem hmotnosti černých děr nazýváme mass gap neboli hmotnostní mezera. Právě do ní by tyto tři objekty mohly spadat. V rovných 29 případech pak zdroj gravitační vlny nedokážeme dosud spolehlivě identifikovat.

Pohled na gama záblesk a jeho okolí. Dole vidíme i detaily samotného bezprostředního okolí záblesku.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Z technického hlediska jsou zajímavé dvě věci. Za prvé, první tři kandidátské události se podařilo zachytit již před startem vědeckých operací, pouze při inženýrských testech. Zde musí mít znalci problematiky drobné deja vu na rok 2015, kdy se něco podobného stalo v případě vůbec první zachycené gravitační vlny GW 150914. Nyní jde zřejmě o dvě srážky černých děr a jednu srážku černé díry s neutronovou hvězdou, všechny tři signály zachytila observatoř Livingstone, dvě pak i Hanford.

Za druhé, počátkem března zaznamenal Fermiho teleskop velmi zajímavý krátký gama záblesk (GRB 230307A), který vznikl jako důsledek srážky dvou neutronových hvězd. I kdyby ale detektory LIGO již pracovaly, měly by problém signál zachytit, jelikož byl na samé hranici jejich citlivosti. Odehrál se totiž zhruba 950 milionů světelných let od nás, zatímco LIGO umí dobře chytat podobné signály do vzdálenosti 500 milionů světelných let. Očekává se sice vylepšení na 600 milionů světelných let, ale ani to by v tomto případě zjevně příliš nepomohlo.

Zajímavé signály z O4

Umělecká představa srážky černé díry s neutronovou hvězdou.
Zdroj: https://images.newscientist.com/

Některé ze zvláště zajímavých signálů si nyní pojďme spolu projít. Na úvod si však zopakujme, že se jedná zatím o kandidáty, z nichž někteří nemusí být potvrzeni. Až pečlivější statistická analýza ukáže, zda zůstanou dlouho, či snad věčně v databázi kandidátů, nebo se přeřadí mezi oficiálně uznané záchyty gravitačních vln.

Hned první zaznamenaná událost 18. května 2023 byla pravděpodobně vytvořena srážkou neutronové hvězdy s černou dírou. Podobný signál přišel ještě 26. června, kdy máme i poměrně přesnou lokalizaci a to do oblasti někde na pomezí mezi souhvězdími Draka, Velké medvědice, Lva a Malého lva. Obě možné události typu BH-NS k nám přišly z podobné vzdálenosti 204, respektive 278 megaparseků, což odpovídá vzdálenosti 665 a 906 milionů světelných let.

Srážka neutronových hvězd (zde umělecká představa GW170817).
Zdroj: https://www.ligo.org/

V červnu 2023 (konkrétně 15.6.) jsme zachytili také první signál, který snad pochází ze srážky dvojice neutronových hvězd. Druhý takový detektory zaznamenaly 25. října. Zde je v obou případech určení pozice na obloze velmi nejisté, možná oblast původu zahrnuje tisíce čtverečních stupňů. Zato vzdálenost je vcelku přesně změřená. V prvním případě jde o 260 megaparseků, tedy asi 847 milionů světelných let, ve druhém případě se pak jedná o 233 megaparseků a 759 milionů světelných let.

Ze zástupu událostí zahrnujících dvojice černých děr je velmi těžké něco vybrat, takže snad alespoň signál z 15. června, který přišel ze vzdálenosti 12 726 megaparseků, čemuž odpovídá hodnota 41,5 miliardy světelných let. Ne, nezbláznil jsem se, tak to skutečně je. A znovu ne, to nedokazuje, že je špatně standardní kosmologický model nebo snad obecná relativita. Musíme totiž počítat s tím, že rekordní vzdálenosti u galaxií jsou udávány pro dobu vyzáření světla. Jestliže je tedy galaxie vzdálená 13 miliard světelných let, jejímu světlu trvalo tuto dobu k nám doletět. Dnes už ale tato galaxie leží dále, protože se prostoročas mezi ní a námi rozpíná. A právě to se děje i v tomto případě.

Pozorovatelný vesmír.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Ještě vzdálenější signál jsme zachytili 4. července, na Den nezávislosti, kdy byl signál vzdálen 15 450 megaparseků, což by naznačovalo po přepočtu na světelné roky, že k události došlo více než 50 miliard světelných let od nás. S tímto číslem už má problém dokonce i standardní kosmologie, neboť dle našich současných poznatků by měl mít pozorovatelný vesmír v současné době průměr asi 93 miliard světelných let. Ale vzhledem ke značné chybě měření, která dosahuje plus minus 5 000 megaparseků, se nic tak zvláštního neděje. Velmi extrémní vzdálenost byla zaznamenána ještě u srážky ze 2. září, kde jde o 10 221 megaparseků, tedy asi 33,3 miliardy světelných let.

Pokud jde o přesnost určení pozice, zde nikde neznáme oblast původu tak přesně jako u neutronových hvězd. U splynutí černých děr z 23. června víme, že k události došlo pravděpodobně v souhvězdí Hydry, což nám ale moc nepomůže, jelikož Hydra patří mezi největší souhvězdí na obloze. Ještě přesněji pak umíme místo urči u dvojice černých děr, jejichž srážku jsme viděli 22. září. Zde víme, že k nám signál přišel téměř určitě ze souhvězdí Vodnáře nebo Jižní ryby.

Výhledy do budoucna – pozemní výzkum

Mapa ukazuje všechny zvažované lokality indického detektoru LIGO.
Zdroj: https://www.gw.iucaa.in/

Kromě aktuálních výsledků si pochopitelně vždy představíme alespoň krátce i novinky ohledně plánovaných projektů. Dnes začneme u indické odnože observatoře LIGO. Když se projekt LIGO rozběhl, uvažovalo se i o třetím detektoru v Austrálii nebo Indii. Taková možnost by dávala velkou výhodu, protože třetí detektor by byl od těch amerických velmi vzdálen, navíc by byl též výrazně jižněji než oba americké protějšky. Z australského projektu nakonec sešlo, nicméně Indie je na tom naopak velmi nadějně.

O indickém detektoru se začalo hodně zahlas mluvit v roce 2016 po první úspěšné detekci americké observatoře. Nějakou dobu trvalo zprocesování všech náležitostí, řešení všech administrativních překážek a výběr vhodné lokality. V loňském roce se však projekt značně posunul, když jej v dubnu schválila indická vláda. Interferometr by měl vyrůst nedaleko města Aundha Nagnath, ačkoliv na indické poměry jde s necelými 15 000 obyvateli o pouhé městečko. Oto sídlo se nachází ve svazovém sátu Maháráštra na západě Indie. Do provozu by měl být detektor uveden v roce 2030.

Vizualizace Einsteinova teleskopu.
Zdroj: https://connect.geant.org/

Pokročme ale k Einsteinovu teleskopu. Má se jednat o interferenční detektor, takže bude v principu podobný observatořím LIGO, VIRGO a KAGRA. Na rozdíl od nich ale bude mít ramena dlouhá 10 kilometrů. Také bude umístěn 250-300 metrů pod zemí a chlazen na kryogenní teploty. V důsledku toho by měl dosáhnout desetkrát vyšší citlivosti než současné detektory tohoto typu.

V tuto chvíli probíhá intenzivní výběr místa, kde se detektor nakonec bude stavět. Ve hře jsou nyní tři varianty. První počítá s lokalitou na rozhraní Německa, Belgie a Nizozemska v okolí řek Rýna a Mázy (mezi městy Lutych, Cáchy a Maastricht). Výhodou je zde stabilní podloží a malé narušení životního prostředí, jakož i to, že v oblasti se už nachází množství firem a výzkumných organizací, které by mohly na projektu spolupracovat.

Zvažovaná lokalita detektoru na ostrově Sardinie.
Zdroj: https://i.ytimg.com/

Druhá možnost operuje se stavbou na italském ostrově Sardinie. Italové také mají v rukávu několik trumfů. Sardinie je co do zemětřesné aktivity jedno z nejklidnějších mís na planetě, detektor by tak neměl problémy se seismickým šumem, v oblasti je také hodně podzemní vody, což by zase tlumilo další zdroje a typy šumů. Navíc se už na severovýchodě ostrova nachází podzemní důl se stabilní horninou, kde by stavba podobných rozměrů mohla proběhnout bez problémů. Celý projekt by měl navíc velmi pozitivní dopad na zaměstnanost v oblasti.

Místo na německé straně Lužice, kde se provádějí zkušební vrty.
Zdroj: https://i.ytimg.com/

Z hlediska českého je ovšem nejzajímavější třetí návrh. Ten počítá s umístěním teleskopu nedaleko českých hranic, na německé části historického území Lužice. Německá strana chce na tomto místě založit německé centrum astrofyziky, které by mělo významný podíl na světové vědě v této oblasti výzkumu a částečně konkurovat velkým projektům jako je FAST, SKA a další. Idea má podporu předních německých vědců i úřadů spolkové země Sasko. Výstavba velkého detektoru v této oblasti by totiž mohla pomoci místní ekonomice a vytvořit nová pracovní místa. I geologicky je lokalita velmi vhodná, disponuje stabilním žulovým podložím a nízkou seismickou aktivitou.

Vizualizace budoucího amerického velkého gravitačního detektoru Cosmic Explorer.
Zdroj: https://news.syr.edu/

Aktuálně se provádí intenzivní geologický průzkum, aby se zjistilo, která lokalita je vědecky nejlepší. Svou roli však bude pochopitelně hráti lobbing jednotlivých zainteresovaných stran. Očekává se, že definitivní rozhodnutí o umístění velkého gravitačního detektoru padne v roce 2025. Stavba by pak mohla být zahájena o tři roky později. Z toho vyplývá, že když půjde vše dobře, první pozorování pomocí nového teleskopu by mohla proběhnout někdy kolem roku 2040.

Také americká strana plánuje novou, třetí, generaci pozemních detektorů. Jejich projekt by měl Einsteinův teleskop v mnoha parametrech dokonce ještě překonat. Cosmic Explorer, jak se projektu zatím oficiálně říká, má mít ramena také ve tvaru písmene L, podobně jako LIGO. Na rozdíl od LIGO by ovšem ramena měla dosáhnout délky rovných 40 kilometrů, tedy jen na rozměrech observatoře by bylo zlepšení desetinásobné. Cosmic Explorer by měl v zásadě vidět podobné zdroje jako LIGO, avšak s výrazně vyšší přesností. Zpráva představující observatoř a její vizi, odhadující náklady a navrhující stavbu prototypu byla zveřejněna v roce 2021.

Výhledy do budoucna – Evropský kosmický výzkum

LISA Pathfinder
Zdroj: https://www.esa.int/

Dlouho vyvíjená a připravovaná mise LISA je opět o krok blíže realizaci. Už nějakou dobu figuruje v tabulkách jako třetí velká mise ESA, nicméně neměla tak docela na růžích ustláno. Inženýrsky je totiž velmi náročná. Sonda LISA Pathfinder proto před časem testovala potřebné technologie. A nutno podotknout, že dopadla výborně, očekávání dokonce překonala. Proto se mohlo přistoupit k další fázi příprav. A veškeré úsilí se vyplatilo, neboť 25. ledna ESA misi LISA oficiálně přijala.

Vizualizace observatoře LISA pohupující se na gravitačních vlnách.
Zdroj: https://www.aei.mpg.de/

Tento krok je velmi důležitý neboť z fáze studií proveditelnosti se mise přesouvá do vlastní přípravy. Je tak možné začít připravovat projekt k vypuštění. Ani to pochopitelně ještě nebude tak snadné. Nejprve se postaví několik prototypů, potom kusy ke zkouškám a kvalifikaci a na ně teprve naváže letový hardware. V tomto případě nikoliv jedna sonda, ale rovnou tři. LISA totiž představuje unikátní misi, kdy poletí tři identické družice ve formaci rovnostranného trojúhelníka a vzájemně na sebe budou svítit laserovými svazky. Stejně jako LIGO se tak i v tomto případě uplatní metoda interferometru, ovšem s výrazně delšími rameny detektoru. Délka ramen bude 2,5 milionu kilometru a celá formace poletí ve stejné vzdálenosti od Slunce jako obíhá Země, ovšem 20 stupňů za naší planetou.

Aby bylo možné udržet stálou formaci ve tvaru rovnostranného trojúhelníku, budou družice létat po takovýchto poměrně neobvyklých dráhách.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Jak družice poletí, bude se sledovat velmi přesně jejich pozice a také fáze a posuny laserových paprsků. Z toho budou umět odborníci identifikovat přicházející gravitační vlny. Jeden z častých omylů je tvrzení, že LISA bude mít vyšší citlivost než LIGO. Nebude, právě naopak je její citlivost o několik řádů nižší. Důvod proč tuto misi potřebujeme spočívá v tom, že dokáže spatřit úplně jiný typ zdrojů než LIGO. Pozemní observatoře dokáží typicky vidět srážky neutronových hvězd nebo černých děr hvězdných velikostí. Kosmický interferometr uvidí zejména srážky supermasivních černých děr, ale pochopitelně i mnoho dalšího.

Detail na jednu z družic interferometru LISA.
Zdroj: https://www.elisascience.org/

Rozpočet mise LISA je 1,75 miliardy euro, tedy v přepočtu při současném kurzu asi 44 miliard korun. Tedy jeden tunel Blanka. Dá se nicméně očekávat, že rozpočet nám bude časem ještě poněkud bobtnat, jak už je to u velkých i menších kosmických misí dobrým zvykem. Každopádně jde o jednu z nejdražších misí evropské kosmické agentury. Ale výdaje jsou zcela ospravedlnitelné neboť vědecký přínos vydané finance bohatě vyváží, či dokonce převáží. Kromě Evropy se na projektu podílí i Spojené státy americké. Jejich zapojení původně mělo být mnohem větší, nicméně z projektu v roce 2011 vystoupily. Po úspěchu observatoře LIGO se sice americká strana rozhodla vrátit, míra jejich zapojení se však původnímu podílu nevyrovná.

Funkční prototyp mechanismu pro přepínání laserových svazků určený pro misi LISA.
Zdroj: https://www.avcr.cz/

Na misi LISA mají vcelku důležitý podíl také Češi, konkrétně čtyři ústavy Akademie věd České republiky. Jde o Fyzikální ústav, Astronomický ústav, Ústav fyziky atmosféry a Ústav termomechaniky. Odborníci z těchto pracovišť vyvíjejí speciální mechanismus pro přepínání laserových svazků. Na první pohled to může vypadat relativně jednoduše, ale jak pravil jeden ze zapojených vědců, reálně jde o docela velký oříšek. Zařízení totiž musí splňovat mnohé dosti přísné standardy. Tak například materiál z něhož bude mechanismus vyroben nesmí „cítit“ magnetické pole, to by totiž narušovalo nesmírně přesná měření.

Prototyp mechanismu pro přepínání svazků na misi LISA vyvíjejí čtyři ústavy Akademie věd ČR.
Zdroj: https://www.avcr.cz/

Start trojice družic LISA plánuje ESA na rok 2037 a v provozu by observatoř měla být alespoň čtyři roky. Počítá se ale s možností prodloužení na deset let. Myslím, že hovořím za všechny vědce, když řeknu, že v prodloužení už předem doufáme, neboť získaná statistika pozorování by byla mnohem větší a tím i úroveň získaných znalostí zásadně lepší. Mohli bychom se dočkat i mnoha zajímavých a dříve netušených objevů.

Výhledy do budoucna – neevropský kosmický výzkum

Nevážný obrázek naznačující podobu japonského interferometru.
Zdroj: https://decigo.jp/

Kromě Evropy počítá se svými vesmírnými detektory také Čína a Japonsko. Začněme u země vycházejícího slunce. Jejich projekt nese název DECIGO. Ve 30. letech by mělo dojít k vypuštění prototypu B-DECIGO, který má otestovat klíčové technologie. Půjde o skupinu družic ve formaci trojúhelníka (jako u mise LISA), jednotlivé družice od sebe budou vzdáleny 100 km a poletí na dráze ve výšce 2 000 kilometrů nad zemským povrchem.

Pokud se vše podaří, bude někdy poté (termín neupřesněn) následovat vlastní DECIGO. O bude sestávat ze čtveřice trojúhelníkových formací, přičemž družice od sebe budou vzdáleny 1 000 kilometrů. Obíhat budou na stejné dráze kolem Slunce jako Země, přičemž se tyto čtyři trojúhelníky seřadí do třech formací (dvě po třech družicích a jedna po šesti – dva trojúhelníky, takže ve tvaru šesticípé hvězdy) a rozprostřou se rovnoměrně po celé dráze, takže je bude vzájemně dělit 120 stupňů.

Vizualizace zkušební mise, která by měla otestovat potřebné technologie pro velký japonský interferometr.
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Čínský projekt TianQin má již úspěšný let testovací mise za sebou. Vše tak směřuje ke startu plánovanému (opět bez přesnější specifikace) na 30. léta. Odhadované náklady na observatoř jsou 2,3 miliardy amerických dolarů, po přepočtu na koruny tedy dojdeme k velmi podobnému číslu jako v případě evropské mise LISA. Evropskému projektu bude en čínský podobný i v tom, že operuje s trojicí družic ve tvaru rovnostranného trojúhelníka. Déla ramen má být ovšem 100 000 kilometrů a TianQin navíc poletí na dosti specifické oběžné dráze. Půjde stále o dráhu kolem Země, ale s výškou nad povrchem zhruba 100 000 kilometrů.

Plánovaná podoba observatoře TianQin vzhledem k Zemi a Slunci (obrázek není ve správném měřítku) i s referenčním zdrojem (vpravo).
Zdroj: https://www.researchgate.net/

Podle studie z roku 2011 se zdá, že by TianQin mohl být velmi citlivý na dvojice černých děr středních hmotností a také lehčí supermasivní černé díry s hmotnostmi v řádu milionů či desítek milionů hmot Slunce. Kromě toho by TianQin mohl detekovat i stochastické pozadí gravitačních vln či binární systémy, v nichž má jedna složka výrazně vyšší hmotnost než druhá. Očekává se, že by detektor měl být schopen zachytit signál z asi šedesáti dvojic supermasivních černých děr za rok. Navíc by pomocí něj mělo jít určit velmi dobře parametry zdroje, což snad povede k jejich lepšímu pochopení. Blízké černé díry by měl být schopen detekovat dokonce už před srážkou a vydat tak včasné varování na blížící se splynutí. Do oblasti by se pak v danou chvíli mohly zaměřit další observatoře.

Závěr

Dnes jsme si představili řadu poměrně zásadních novinek v oblasti výzkumu gravitačních vln. Podobně se u tohoto volného seriálu budeme sekávat častěji. Jak jsem ovšem uvedl výše, seriál bude nepravidelný. Není mým záměrem slibovat frekvenci každé 2 nebo 3 měsíce, protože se někdy může snadno stát, že téměř nebude o čem psát a pak bychom zde jen mlátili prázdnou slámu. Naopak jindy může být novinek hodně a v takovém případě bude mít smysl se jimi zabývat, podobně jako dnes. Další díl tedy vyjde v okamžiku, kdy bude ke zpracování dostatek materiálu.

Poznámka

• Fotografie prototypu mechanismu pro přepínání svazků pořídil Jan Ebr z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR.

Použité a doporučené zdroje

• LIGO – https://www.ligo.org/
• LIGO Caltech – https://www.ligo.caltech.edu/
• VIRGO – https://www.virgo-gw.eu/
• KAGRA – https://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/
• GEO600 – https://www.geo600.org/
• TAMA300 – http://tamago.mtk.nao.ac.jp/spacetime/tama300_e.html
• LISA (ESA) – https://sci.esa.int/web/lisa
• LISA (NASA) – https://lisa.nasa.gov/
• LISA Consortium – https://www.elisascience.org/
• Max Planck Institute for Gravitational Physics – https://www.aei.mpg.de/
• DECIGO – https://decigo.jp/index_E.html
• International Pulsar Timing Array: https://ipta4gw.org/
• Parkes Pulsar Timing Array: https://www.atnf.csiro.au/research/pulsar/ppta/
• European Pulsar Timing Array: https://www.epta.eu.org/
• NANOGrav: https://nanograv.org/
• Indian Pulsar Timing Array: https://inpta.iitr.ac.in/
• South African Radio Astronomy Observatory: https://www.sarao.ac.za/
• Fermi NASA Goddard: https://fermi.gsfc.nasa.gov/
• Fermi NASA: https://www.nasa.gov/content/fermi/overview
• Einstein Telescope: https://www.et-gw.eu/

Zdroje obrázků

• https://astronomy.com/~/media/C420732507374DA2BF07F6C5BFD46755.jpg
• https://images.ctfassets.net/cnu0m8re1exe/5QfA6FBHjr6JXZravX7j7D/44cc81dd60fff57b146a8f91f05a080c/Gravitational-Waves.jpg
• https://www.ligo.org/detections/images/ligoGW150914signals-lg.jpg
• https://www.ligo.caltech.edu/system/avm_image_sqls/binaries/30/large/ligo-livingston-aerial-02.jpg?1447107179
• https://www.tifpa.infn.it/wp-content/uploads/2016/02/veduta.png
• https://www.geo600.org/23580/header_image-1588750424.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6ODQ4LCJmaWxlX2V4dGVuc2lvbiI6ImpwZyIsIm9ial9pZCI6MjM1ODB9–06f289e34e3b1f1f5b2e099b1a4edae5b5d844f3
• https://www.ligo.caltech.edu/system/media_files/binaries/179/original/labeled_quad.jpg?1431725160
• https://www.virgo-gw.eu/wp-content/uploads/2023/05/62_Virgo_LM_ED9A9034-scaled.jpg
• https://bigthink.com/wp-content/uploads/2021/11/Masses_of_Dead_Stars_LIGO_Virgo_KAGRA.png
• https://www.researchgate.net/publication/372827910/figure/fig1/AS:11431281178533232@1690946315786/The-environment-of-GRB-230307A-a-The-false-color-image-combines-three-filters-from-JWST.ppm
• https://images.newscientist.com/wp-content/uploads/2019/08/21171843/black-hole-swallows-neutron-star.jpg
• https://www.ligo.org/detections/GW170817/images-GW170817/GW170817-rendition.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/98/Observable_Universe_with_Measurements_01.png/1200px-Observable_Universe_with_Measurements_01.png
• https://www.gw.iucaa.in/wp-content/uploads/2016/10/13923526_154718631599479_8732008741951169389_o.jpg
• https://connect.geant.org/wp-content/uploads/2020/11/ETatNight-sea-ridotto.jpg
• https://i.ytimg.com/vi/ZlSAYKRWIV0/hq720.jpg?sqp=-oaymwEXCK4FEIIDSFryq4qpAwkIARUAAIhCGAE=&rs=AOn4CLCKt9NaW8dg8S4JRE3GSgZfaGm9FA
• https://i.ytimg.com/vi/GQqaXfqhknc/maxresdefault.jpg
• https://news.syr.edu/wp-content/uploads/2021/11/Cosmic-690×489-1.jpg
• https://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2015/11/lisa_pathfinder_in_space/15694882-1-eng-GB/LISA_Pathfinder_in_space_pillars.jpg
• https://www.aei.mpg.de/782254/original-1651572960.jpg?t=eyJ3aWR0aCI6MTIwMCwiaGVpZ2h0IjpudWxsLCJmaXQiOm51bGwsIm9ial9pZCI6NzgyMjU0fQ%3D%3D–478dd0caf20bbd0b382f8b1a8f9712e2315f3d03
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ad/LISA_motion.gif
• https://www.elisascience.org/files/styles/keyimage/public/sliderimages/eLISA_2arms.jpg?itok=_29aAeRu
• https://www.avcr.cz/export/sites/avcr.cz/cs/pro-media/.content/galerie-obrazku/2024/ASU_LISA/Obrazek1.jpg
• https://www.avcr.cz/export/sites/avcr.cz/cs/pro-media/.content/galerie-obrazku/2024/ASU_LISA/Obrazek2.jpg
• https://decigo.jp/picture/topJ.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Hiroyuki-Nakano-3/publication/312020342/figure/fig1/AS:614093568368641@1523422724302/Image-of-Pre-DECIGO-which-is-a-smaller-DECIGO-consisting-of-three-spacecraft-arranged.png
• https://www.researchgate.net/profile/Vadim-Milyukov-2/publication/348086421/figure/fig2/AS:976691501481986@1609872808568/Schematic-diagram-of-the-space-cluster-of-the-TianQin-experiment-with-the-binary-J0806-as.png