Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 20 – vyšlo 3. června, ročník 15 (2017) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

20/2017

LIGO potřetí boduje, na Virgu pokračuje siesta

Petr Kulhánek

Když byla dne 11. února 2016 ohlášena detekce prvního klubka gravitačních vln (k té došlo dne 14. září 2015; několik měsíců trvalo ověřování objevu), kladli jsme si otázky: Jde o náhodný jev? Měla observatoř LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva velké detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Oba velké přístroje doplňuje dvoukilometrový interferometr v Hanfordu. Uvažuje se o stavbě dalšího stroje v Indii. Frekvenční rozsah detektoru je od 10 Hz do 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. Od roku 2010 do roku 2015 probíhala kompletní rekonstrukce, jejímž cílem bylo výrazné zvýšení citlivosti přístroje. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015. Do konce roku 2021 bylo zachyceno 90 průkazných signálů. výjimečné štěstí, nebo budou další objevy následovat? Tenkrát nikdo neznal odpověď. Fascinace z toho, že lidstvo poprvé spatřilo sloučení dvou černých děr na vlastní oči, byla doprovázena údivem nad tím, že ve vesmíru kromě hvězdných černých děr a galaktických veleděr také existují černé díryČerná díra – objekt, který kolem sebe zakřiví čas a prostor natolik, že z něho nemůže uniknout ani světlo. Část z nich vzniká kolapsem hvězdy v zá­vě­reč­ných fázích vývoje. Druhou skupinu tvoří obří černé díry sídlící v centrech galaxií. Rotující černé díry kolem sebe vytvářejí akreční disky látky a v ose rotace výtrysky vysoce urychlených částic. Paradoxně akreční disky i výtrysky, vznikající v bezprostředním okolí černé díry, velmi intenzivně vyzařují. středních hmotností několika desítek Sluncí (viz AB 6/2016). Dnes je jisté, že nešlo o náhodu. Pouhých 20 měsíců po první detekci je bilance detektoru LIGO přímo skvělá: tři potvrzené gravitační záblesky (s vysokou mírou statistické věrohodnosti), jeden nepotvrzený (pravděpodobný, ale statisticky málo věrohodný) a šest dalších událostí, které jsou intenzivně zkoumány a mohly by být gravitačními záblesky. Žijeme v opravdu převratné době. Sen našich předchůdců o otevření gravitačního okna do vesmíru se stal skutečností a nese první ovoce. A údiv nad existencí černých děr středních hmotností vystřídalo první logické vysvětlení jejich vzniku. Stačí se „jen“ dívat. V přímém přenosu vidíme vznik těchto objektů při postupném slučování menších černých děr.

Černé díry známých hmotností. Observatoř LIGO nalezla několik černých děr středních hmotností a zdokumentovala jejich vznik jako důsledek sloučení menších černých děr. Pozorování, v němž jsou hranice objektů čárkované, je statisticky málo průkazné. Další pozorování lze označit za statisticky věrohodná. Zdroj: LIGO.

Obecná relativita – teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1915. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svou přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách. Gravitační vlna – periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci od 0,1 mHz do 10 kHz. K první přímé detekci gravitačních vln došlo dne 14. září 2015. Gravitační záblesk ze splynutí dvou černých děr středních hmotností ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných roků zachytily oba americké přístroje LIGO. LIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva velké detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Oba velké přístroje doplňuje dvoukilometrový interferometr v Hanfordu. Uvažuje se o stavbě dalšího stroje v Indii. Frekvenční rozsah detektoru je od 10 Hz do 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. Od roku 2010 do roku 2015 probíhala kompletní rekonstrukce, jejímž cílem bylo výrazné zvýšení citlivosti přístroje. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015. Do konce roku 2021 bylo zachyceno 90 průkazných signálů. VIRGO – největší evropský interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 3 km. Je umístěn u vesničky Cascina, 10 km od italské Pisy proslulé svou šikmou věží. Detektor byl uveden do provozu v roce 2007. Od roku 2010 do roku 2017 probíhala rekonstrukce, jejímž cílem bylo podstatné zvýšení citlivosti. První experimentální běh po rekonstrukci proběhl v srpnu 2017 (společné pozorování s americkým LIGO) a 14. srpna se podařilo zachytit první gravitační signál. Detektor Virgo je součástí observatoře EGO (European Gravitational Observatory). Pro přístroj po rekonstrukci se také často používá zkratka AdV (Advanced Virgo).

Něco málo o detektorech

Duchovním otcem současných úspěšných detektorů je americký teoretik Kip Thorne. Jde o interferometrické detektory – světlo laseruLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. se rozdělí do dvou kolmých ramen, na jejichž koncích jsou zavěšena testovací zrcadla. Jejich pohupování na gravitační vlně se projeví ve změnách interferenčního obrazce vzniklého spojením signálu z obou ramen. První zařízení tohoto typu – MARK – bylo postaveno v Pasadeně ve dvou kolmých chodbách o délce 40 metrů na univerzitě CALTECHCALTECH – California Institute of Technology, prestižní americká univerzita, která vznikla v roce 1921. Založil ji chemik Arthur A. Noyes spolu s významným fyzikem Robertem A. Millikanem. Předchůdcem byla Throopova univerzita z roku 1891. Univerzita sídlí v kalifornské Pasadeně. Univerzita zajišťuje provoz JPL (Jet Propulsion Laboratory) americké NASA, analyzuje data ze Spizerova vesmírného dalekohledu a spravuje hanfordskou část detektoru gravitačních vln LIGO.. Největší zařízení současnosti je americké LIGOLIGO – Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory, největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva velké detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA). Oba velké přístroje doplňuje dvoukilometrový interferometr v Hanfordu. Uvažuje se o stavbě dalšího stroje v Indii. Frekvenční rozsah detektoru je od 10 Hz do 10 kHz. Detektor byl uveden do provozu v roce 2002. Od roku 2010 do roku 2015 probíhala kompletní rekonstrukce, jejímž cílem bylo výrazné zvýšení citlivosti přístroje. První přímá detekce gravitačních vln se podařila 14. září 2015. Do konce roku 2021 bylo zachyceno 90 průkazných signálů. se čtyřkilometrovými rameny – jeden přístroj je v Hanfordu, druhý v Livingstonu, vzdálené jsou 3 000 kilometrů. Třetím velkým detektorem je evropské VIRGOVIRGO – největší evropský interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 3 km. Je umístěn u vesničky Cascina, 10 km od italské Pisy proslulé svou šikmou věží. Detektor byl uveden do provozu v roce 2007. Od roku 2010 do roku 2017 probíhala rekonstrukce, jejímž cílem bylo podstatné zvýšení citlivosti. První experimentální běh po rekonstrukci proběhl v srpnu 2017 (společné pozorování s americkým LIGO) a 14. srpna se podařilo zachytit první gravitační signál. Detektor Virgo je součástí observatoře EGO (European Gravitational Observatory). Pro přístroj po rekonstrukci se také často používá zkratka AdV (Advanced Virgo). s tříkilometrovými rameny, které se nachází v blízkosti Pisy. Všechna tři velká zařízení prošla po roce 2010 rozsáhlou rekonstrukcí, jejímž cílem bylo zvýšení přesnosti detektorů (viz AB 41/2015, AB 42/2015, AB 6/2016) Rekonstrukce přístroje LIGO byla ukončena dle plánu v září 2015 a hned v testovacím provozu byl zachycen první gravitační impulz. Rekonstrukce detektoru VIRGO vázne a spuštění detektoru je neustále odkládáno (původně měla rekonstrukce skončit současně s rekonstrukcí detektoru LIGO). Přitom by pro lokalizaci polohy zdrojů gravitačních vln byl třetí funkční detektor velkou pomocí. Do budoucna se vážně uvažuje o stavbě obřího interferometru eLISALISA – Laser Interferometry Satellite Antenna, společný projekt ESA a NASA tří sond obíhajících kolem Slunce. Jejich cílem mělo být interferometrické měření gravitačních vln. Ramena interferometru (vzájemná vzdálenost sond) měla být dlouhá pět milionů kilometrů. Realizace se postupně odsouvala, v roce 2011 NASA konstatovala, že projekt nemůže z finančních důvodů uskutečnit. ESA v projektu pokračovala pod názvem NGO (New Gravitational Observatory), v roce 2012 ale byla dána přednost jinému velkému projektu JUICE (mise k Jupiteru). Poté byl projekt vzkříšen pod názvem eLISA (evolved LISA) s rameny interferometru dlouhými „jen“ milion kilometrů. V roce 2017 se opětovně přepracovaný projekt dostal do výběru velkých (L3, Large) misí Evropské kosmické agentury pod původním názvem LISA. Finální délka ramen interferometru bude 2,5 milionu kilometrů. Start je plánován na rok 2034.  na oběžné dráze kolem Slunce, ramena by měla mít milion kilometrů, což by umožnilo detekci vln větších vlnových délek. Detaily o gravitačních detektorech nalezne čtenář v předchozích bulletinech zabývajících se problematikou detekce gravitačních vln.

Animace znázorňuje princip interferometrického detektoru LIGO. Zhoupnutí koncových zrcadel se projeví na interferenčním obrazci v detektoru. Ve skutečnosti jsou v ramenech další polopropustná zrcadla, která vytvoří rezonanční dutinu, v niž se laserový paprsek  mnohokrát odráží. Zdroj: CalTech/LIGO. (mp4/h264, 12 MB)

Gravitační záblesky

Zatím se veškerá pozorování gravitačních vln týkala spojení dvou černých děr. Není divu, takový signál je intenzivní a pozorovatelný i z velké vzdálenosti. Detektor LIGO ale nepracuje v současnosti na své maximální citlivosti. Parametry se postupně dolaďují, a tak je pravděpodobné, že se v brzké době dočkáme i gravitačních signálů z jiných objektů. Detektor má největší citlivost v okolí frekvence 200 Hz a zatím všechna pozorování byla právě v této frekvenční oblasti. LIGO je schopné detekovat pouze závěrečnou fázi splynutí dvou černých děr, při níž má signál největší intenzitu. Toto závěrečné stadium trvá jen několik desetin sekundy, například první zachycený záblesk trval necelých 0,5 sekundy. Průběh záblesku je zcela charakteristický. Oba objekty ztrácejí vyzařováním gravitačních vln energii, přibližují se k sobě a obíhají stále rychleji. Amplituda gravitačních vln se zvětšuje a jejich frekvence narůstá. Z nárůstu frekvence lze odhadnout hmotnost obíhajících se objektů. Maximum amplitudy gravitačních vln nastává v okamžiku splynutí obou objektů. Výsledný objekt má přibližně kulovou symetrii a taková tělesa gravitační vlny nevyzařují, proto gravitační záblesk končí charakteristickou fází prudkého poklesu amplitudy vln. Toto charakteristické „doznívání“ se označuje anglickým slovem „ringdown“. Z průběhu signálu je možné určit uvolněnou gravitační energii a ze skutečně pozorované amplitudy vln potom vzdálenost objektu. Největším problémem je určení polohy zdroje. K tomu se dá částečně využít zpoždění signálu mezi oběma detektory LIGO a orientace jejich ramen, výsledky jsou ale velmi nepřesné.

Čtyři dosud zachycené záblesky. Všechny křivky mají charakteristický průběh: narůstání amplitudy a frekvence, maximum amplitudy a doznívání gravitačního impulzu. Data z impulzu LVT151012 nejsou natolik kvalitní, aby ho bylo možné definitivně označit za skutečnou událost. V označení záblesků je zakódováno datum pozorování, tedy postupně: 14. září 2015, 12. října 2015, 26. prosince 2015, 4. ledna 2017. Dosud nejdelší impulz z 26. prosince 2015 trval téměř dvě sekundy, ostatní signály trvaly pouze několik desetin sekundy.

Poslední pozorovaný záblesk byl oznámen dne 1. června 2017, jeho data byla pořízena 4. ledna 2017. Vzhledem k malému počtu dosavadních pozorování je každý z nalezených záblesků něčím pozoruhodný. Ten poslední má dvě zajímavosti. Především jde o dosud nejvzdálenější pozorovaný objekt, vzdálenost této dvojice černých děr se odhaduje na tři miliardy světelných roků. Mnohem zvláštnější je ale fakt, že z hmotností objektů a pozorovaného množství uvolněné energie lze učinit závěr, že by alespoň jedna z černých děr mohla mít retrográdní rotaci, tj. rotovala v opačném směru, než obíhala svého souputníka. Pokud je to pravda, je vysoce pravděpodobné, že černé díry nevznikly spolu, ale každá odděleně a teprve později došlo k jejich vzájemnému gravitačnímu záchytu. Takový mechanizmus by mohl vysvětlit postupné narůstání hmotnosti černých děr a možná i vznik veleděr v galaktických jádrech. Proto je poslední pozorování z vědeckého hlediska mimořádně zajímavé a jeho další analýzy mohou přinést ještě překvapivé výsledky.

událost	GW150914	(LVT151012)	GW151226	GW170104
datum zachycení	14. 9. 1015	(12. 10. 2015)	26. 12. 2015	4. 1. 2017
první hmotnost	36 MS	(23 MS)	14 MS	31 MS
druhá hmotnost	29 MS	(13 MS)	8 MS	19 MS
výsledná hmotnost	62 MS	(35 MS)	21 MS	49 MS
výsledná rotace	0.67	(0.66)	0.74	0.64
vzdálenost	1.3×109 ly	(3.3×109 ly)	1.4×109 ly	2.9×109 ly
červ. posuv zdrojeKosmologický posuv – posuv spektrálních čar k červenému konci spektra díky rozpínání vesmíru. Při rozpínání dochází nejen ke vzájemnému vzdalování galaxií, ale i k prodlužování vlnových délek záření. Spektrum vzdálených objektů ve vesmíru se tak jeví posunuté směrem k červené až infračervené oblasti. Kosmologický červený posuv je definován předpisem z = (λ − λ0)/λ0, kde λ0 je vlnová délka spektrální čáry v okamžiku vyslání paprsku, λ je vlnová délka téže spektrální čáry v okamžiku zachycení paprsku. Malé kosmologické červené posuvy lze interpretovat pomocí Dopplerova jevu. U velkých posuvů závisí vzdálenost objektu na parametrech expanze vesmíru (Hubbleově konstantě, křivosti, procentuálním zastoupení temné energie atd.) a není jednoduché z naměřeného kosmologického posuvu vzdálenost přesně určit. Proto se většinou časové období udává pouze hodnotou naměřeného kosmologického posuvu.	0.09	(0.2)	0.09	0.18
vyzářená energie	3 MS	(1.5 MS)	1 MS	2 MS

Parametry čtyř pozorovaných událostí. U druhé nejsou pořízená data statisticky dostatečně významná. Pravděpodobně jde o záchyt gravitačních vln, ale do výsledných statistik se pozorování nezařazuje. Výsledná rotace černé díry je udávána jako poměrná část  maximální možné rotace plynoucí z obecné relativity.

Numerická simulace poslední události z 4. ledna 2017. Zdroj: LIGO.

Odkazy