Jednou z nejzajímavějších kosmických observatoří současnosti je bezesporu evropská Gaia. Bohužel ale většinou nepořizuje působivé snímky vesmíru a tak je mezi širší veřejností spíše neznámá. A to je přitom obrovská škoda. Její výsledky jsou totiž mimořádně zajímavé. A to ať už se bavíme o původním účelu, kterým je astrometrie, totiž důkladné proměření poloh a pozic miliardy hvězd a mnoha dalších objektů naší Mléčné dráhy, nebo úkolů vedlejších. Ukazuje se, že družice Gaia dokáže plnit i mnoho úkolů k nimž navržena nebyla. A o jednom takovém si dnes promluvíme.
Zdroj: https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/
Gravitační vlny
Podobně jako elektromagnetismus, i gravitační síla se projevuje charakteristickým vlněním. Poprvé dokázáno bylo v 70. letech a poprvé přímo pozorováno roku 2015 na amerických detektorech LIGO. To je přesně sto let po předpovědi Alberta Einsteina. Od té doby se gravitační vlny staly novým oknem do vesmíru, které nám nabízí zjištění mnoha zajímavých poznatků o nepřeberném množství objektů. A možná dokonce i objevy zcela nových objektů nebo fyzikálních jevů.
Když jsme gravitační vlny poprvé pozorovali na velkých interferometrech, viděli jsme splynutí dvou černých děr. Později jsme nalezli i srážky dvou neutronových hvězd a neutronové hvězdy s černou dírou. Očekávají se i detekce srážek dalších typů objektů, popřípadě zaznamenání blízké supernovy. Gravitační vlny z jiných zdrojů než jsou srážky hmotných objektů v kompaktních dvojicích ovšem musíme pozorovat jinými způsoby.
Zdroj: https://svs.gsfc.nasa.gov/
V přípravě jsou kosmické observatoře, jež by měly dovolit zaznamenat srážky supermasivních černých děr možná dokonce i gravitačních vln z Velkého třesku. Pozemní radioteleskopy potom mohou detekovat tzv. gravitačně vlnové pozadí. Jde o gravitační vlny, které jsou na pozadí, takže volně poletují prostoročasem, jehož jsou ostatně, jak známo, vlněním tam a zpět. Dosud nedokážeme přesně určit jejich zdroje, víme jen, že pochází taktéž ze srážek supermasivních černých děr, byť o rozdílné hmotnosti oproti vlnám očekávaným u kosmických detektorů. Toto gravitační pozadí dokážeme dnes už (snad, objev ještě není úplně jistě potvrzen, byť je dosti pravděpodobný) zachytit pomocí radioteleskopů, jež detekují drobné odchylky ve změnách příchodů jinak vysoce pravidelných signálů pulsarů, zvláštního typu neutronových hvězd vzniklých po explozích supernov, které ze svých magnetických pólů vysílají extrémně energetické výtrysky záření. Metodu záchytu pomocí pulsarů můžeme nahradit i záchytem gama fotonů, o což se pokouší observatoř Fermi. Nicméně nyní se ukazuje, že gravitační pozadí možná dokáže zachytit i observatoř Gaia.
Zdroj: http://sci.esa.int/
Gaia a měření gravitačních vln
Družice Gaia je úžasný a na to co dokáže velmi nedoceněný přístroj. Kromě hvězd, vzdálených kvasarů či blízkých galaxií dokáže proměřit i dráhy desetitisíců planetek v naší Sluneční soustavě. Planetky, tato malá tělesa zbylá po období vzniku solárního systému, lze využít nejen k měření důležitých informací o možném původu organických molekul či dokonce života na Zemi i ostatních planetách, ale dokonce i k měření něčeho tak exotického jako jsou gravitační vlny.
Dvojice italských astronomů navrhla využít přelomových astrometrických schopností observatoře Gaia. Jak by bylo možné měřit gravitační vlny pomocí planetek naší Sluneční soustavy? Přicházející vlny křivosti prostoročasu by totiž měly způsobovat narušení pohybů planetek. A právě to dokáže doufejme Gaia velmi přesnými astrometrickými měřeními odhalit. Ale nejen to, Gaia by mohla odhalit gravitační vlny i pomocí měření změny pozic nejbližších hvězd (jako je Proxima Centauri, Barnardova hvězda a jiné).
A to je velmi pozitivní zpráva. Všechny naše informace o gravitační astronomii jsou zatím totiž omezeny na měření detektorů LIGO, VIRGO a KAGRA, které jsou nejcitlivější na frekvenci 100 Hz a v blízkosti této hodnoty. Uniká nám ovšem spousta důležitýcha věcí, které nám mohou prozradit vlny o nižších frekvencích. Studium pulsarů nám může ukázat výrazně nižší frekvence gravitačního spektra na úrovni 10-7 až 10-9 Hz, kosmické interferometry pak frekvence 10-3 – 10– 1 Hz.
Zdroj: http://sci.esa.int/
Potenciální úspěch měření pomocí změn pohybů nebeských těles pomocí astrometrické družice Gaia by se nám velmi hodil. Nabídl by další způsob pohledu na gravitačně vlnové pozadí vesmíru tvořené pravděpodobně vlnami způsobenými srážkami supermasivních černých děr. Podle italských autorů zmiňované studie dokáže Gaia gravitační vlny s velmi dlouhou vlnovou délkou za pomoci určení poruch v pohybech planetek a dalších blízkých těles. Jak to ale bude ve skutečnosti, nevíme. Nezbývá si než počkat na další, podrobnější práce v delším časovém horizontu.
Závěr
Už jen to, že v současnosti dokážeme zachytit tak moc gravitačních vln a tak spolehlivě, lze považovat za zázrak. Měření tohoto jevu je totiž velmi obtížné. Gravitační síla má velmi malou velikost ve srovnání s elektromagnetismem, navíc je pro generování vln nutná i výrazně složitější nesymetrie. Gravitační vlny jsou proto relativně slabé a málo energetické. Běžnými postupy jsou navíc neviditelné a pohybují se rychlostí světla. Pokud je chceme najít, potřebujeme dosti sofistikované techniky.
Nápadů existuje spousta, od už prokazatelně nefunkčních rezonančních detektorů, přes úspěšné interferometry a měření pulsarů, až po vysoce spekulativní postupy. Ty zahrnují třeba využití celé Země či celého Měsíce jako gravitačně vlnového detektoru, popřípadě využití soustavy Země – Měsíc jako obřího detektoru. Tyto způsoby jsou sice bezesporu mimořádně zajímavé, avšak také nesmírně náročné na realizaci a v současné době za hranicí sci-fi. Je proto skvělé, že se objevují i realističnější nápady využívající již osvědčené kosmické observatoře. Současně to ukazuje, že Gaia ještě ani zdaleka nepatří do starého železa.
Zdroje informací:
https://www.esa.int/
https://www.astro.phy.cam.ac.uk/
https://phys.org/
https://phys.org/
https://astrobites.org/
Zdroje obrázků:
https://gaia-mission.cnes.fr/../image/bpc_gaia-illustration_p44224.jpg?itok=P-yzxcYO
https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/3ZvACTT9rGdKxpjrkMU97L.jpg
https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a010100/a010140/BlackHole2_0325.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/f8/GAIA-Service-Module.jpg
http://sci.esa.int/science-e-media/img/19/G-EA-2006-6-hi_a.jpg
Dobrý večer,
píšete, že se gravitační vlny pohybují rychlostí světla. To je předpoklad, nebo existuje ověření experimentem?
Předpoklad vychází z Obecné teorie relativity. Ověřen byl, když se povedlo spárovat gravitační měření s pozorováním na elektromagnetických vlnách (viditelné a gama záření).
Pokusím se to ještě trochu rozvést.
Jedním z postulátů obecné teorie relativity (postulát = věc, která neplyne z nějaké teorie a neumíme ji dokázat. Za předpokladu, že postulát platí, má ale řadu důsledků, které umíme ověřovat experimenty.) říká, že všechny inerciální soustavy jsou si vzájemně rovnocenné, což mimo jiné znamená i to, že i rychlost světla naměříme ve všech soustavách stejnou. Důsledkem OTR je pak to, že i gravitační vlny se šíří touto rychlostí.
Důvod, proč se v postulátu OTR používá zrovna rychlost světla, je ale ten, že v době jejího vzniku bylo světlo jedinou interakcí, jejíž rychlost jsme uměli měřit. Dnes bychom ten postulát formulovali nejspíš trochu jinak, a sice že rychlost šíření interakcí (ne nutně jen světla), nebo možná ještě obecněji že rychlost šíření kauzality, naměříme ve všech soustavách stejnou. Důsledkem pak bude, že rychlost šíření světla a rychlost šíření gravitačních vln budou rovné této rychlosti.
Díky za vysvětlení postulátu. Na to ověření experimentem jsem se ptal, protože jsem našel jen měření z roku 2002, možná ne zcela přijímané. Není něco novějšího?
Jak už psal Vojta – existuje celá řada pozorování tzv. optických nebo gama protějšků – po příchodu gravitační vlny jsou na dané místo oblohy namířeny observatoře pracující v elektromagnetickém spektru, a často je detekován postupně slábnoucí objekt, jehož vlastnosti odpovídají tomu, co bychom při splynutí např. neutronových hvězd očekávali. Ta detekce v optickém oboru není simultánní s příchodem gravitační vlny, ale to je dáno tím, že chvíli trvá, než se určí, kam se ty optické dalekohledy vlastně mají dívat. Jsou to zlomky dnů až dny. Což ale při vzdálenosti, z níž k nám ty vlny přicházejí – desítky až stovky milionů světelných let, znamená, že i pokud by ty elmag. vlny skutečně přisly s tím jednodenním zpožděním, tak jejich rychlost bude prakticky shodná s rychlostí gravitačních vln, až na nějaký velmi malý rozdíl.
Kromě toho se rychlost gravitačních vln dá měřit přímo na samotných detektorech, kde se využívá toho, že i ty detektory samotné jsou od sebe v nějaké vzdálenosti. Nedávná práce z loňska, kterou jsem našel, udává, že v rámci přesnosti měření je naměřená rychlost shodná s rychlostí světla: https://arxiv.org/pdf/2307.13099