Einsteinovy gravitační vlny prokázány. Po sto letech. Konečně!

12. února 2016
Dvojice mnohakilometrových interferometrických detektorů LIGO poprvé v historii přímo pozorovala gravitační vlny vzniklé srážkou a splynutím velkých černých děr v hlubokém kosmu.

Na včerejší tiskové konferenci 11. 2. 2016 ve Washingtonu bylo oficiálně oznámeno, že dvojice mnohakilometrových interferometrických detektorů LIGO poprvé v historii přímo pozorovala gravitační vlny vzniklé srážkou a splynutím velkých černých děr v hlubokém kosmu.

Existenci gravitačních vln předpověděl právě před 100 lety Albert Einstein jako jeden z pozoruhodných důsledků obecné relativity, teorie gravitace, kterou v definitivní podobě zformuloval krátce předtím v listopadu roku 1915. Podle Einsteinovy teorie je gravitace specifickou deformací prostoročasu, jež je způsobena přítomnou hmotou. Při extrémní koncentraci hmoty je zakřivení natolik silné, že vzniká černé díra, gravitačně zcela zhroucený objekt.

V případě srážky vzájemně obíhajících dvou černých děr a jejich následného splynutí vznikají silné gravitační vlny, periodické deformace prostoročasu šířící se od místa zdroje napříč celým vesmírem. Jak bylo již dříve prokázáno sledováním dvojic blízkých neutronových hvězd (pulsarů), dochází u binárních systémů k neustálému zkracování doby oběhu a spirálovitému přibližování obou složek v důsledku vyzařování gravitačních vln. Amplituda i frekvence vln postupně narůstá až do okamžiku srážky a splynutí obou složek (viz galerie vpravo). Právě takové vlny byly nyní poprvé přímo zaznamenány pomocí pozemského detektoru. Vzhledem k velké vzdálenosti, přes 1 miliardu světelných let od nás, byla však amplituda vln zde na Zemi nesmírně slabá, menší než 10-21. Zachytit a správně interpretovat tak nepatrné změny vzdáleností je opravdový vědecký a technický zázrak. Někteří lidé proto označují tento úspěch za srovnatelný s přistáním lidí na Měsíci.

Z podrobné analýzy signálu označovaného GW150914 trvajícího zhruba 0,1 sekundy, který dorazil na Zemi 14. září 2015 v 09.50.45 UTC, plyne, že došlo ke srážce dvou černých děr o hmotnostech 36 a 29 násobku hmotnosti Slunce. Výsledkem jejich splynutí byla jedna rotující černá díra hmotnosti 62 Sluncí. Rozdíl hmoty-energie o velikosti 3 Sluncí se vyzářil právě ve formě gravitačních vln.

O přímou detekci gravitačních vln zde na Zemi usilovali mnozí více než 50 let. Včera zveřejněný objev (popsaný v odborném článku, viz též zdrojová data) je proto významnou vědeckou událostí prvního řádu. S největší pravděpodobností za něj bude udělena Nobelova cena. Představuje další, principiálně nové a přesvědčivé potvrzení platnosti Einsteinovy obecné relativity. Tato teorie před pár měsíci oslavila 100 let své existence. Těžko si ke svým kulatým narozeninám mohla přát lepší dárek.

Mohlo by se zdát, že Einsteinova teorie gravitace je už „stoletý stařík“. Na rozdíl od hrdiny bestseleru Jonase Jonassona však „nevylezl z okna a nezmizel“. Naopak, je tu stále s námi, v plné síle, dokonce vitálnější než kdy dříve. A namísto „vylezení z okna“ nám všem obecná relativita právě otevřela další, úplně nové okno, jímž můžeme začít pozorovat vesmír kolem nás.

Studiem různých aspektů obecné teorie relativity se na MFF dlouhodobě zabývá skupina odborníků z Ústavu teoretické fyziky, nyní sdružených do Centra Alberta Einsteina pro gravitaci a astrofyziku. Kromě odborných prací zabývajících se aplikacemi Einsteinovy teorie v astrofyzice, kosmologii a teoretické fyzice se skupina systematicky věnuje také popularizaci. Koncem loňského roku při příležitosti 100 let od vzniku obecné relativity uspořádali členové Centra na dané téma cyklus přednášek pro středoškolské studenty a veřejnost, včetně přednášky o gravitačních vlnách.

– prof. Jiří Podolský a kol., ÚTF –