Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 14 – vyšlo 16. dubna, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

14/2021

Na lovu záblesků gravitačních vln

Petr Kulhánek

První záblesk gravitačních vlnGravitační 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. byl zachycen 14. září 2015, právě sto let od představení Einsteinovy obecné teorie relativityObecná 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.. Byla to veliká sláva, neboť první zachycený signál nejenom, že ukázal, že gravitační vlny existují, ale potvrdil do té doby jen teoretickou možnost sloučení dvou černých děrČerná 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. a vysvětlil, jak vznikají černé díry středních hmotností. Ke zveřejnění došlo až na tiskové konferenci dne 11. února 2016. K takové prodlevě byl podstatný důvod: bylo třeba vše mnohonásobně ověřit a ohlásit objev až tehdy, kdy bude zcela jasné, že nejde o blamáž. Vznešeně se sice hovořilo o otevření nového gravitačního okna do vesmíru, ale v tu chvíli nebylo vůbec jasné, zda je naděje na zachycení nějakého dalšího záblesku. Dnes už víme, že slova o novém okně do vesmíru nebyla nadnesená. Za necelých šest let (2015 až 2021) bylo pozorováno přes devadesát podezřelých událostí, z nichž dvě desítky jsou statisticky průkaznými záblesky gravitačních vln. Ze zachycených záblesků lze udělat už jakous takous statistiku a řádově vychází, že v oblasti jednoho megaparsekuParsek – pc, paralaktická sekunda, astronomická jednotka vzdálenosti. Jde o vzdálenost, ze které je vidět střední vzdálenost Země-Slunce (jedna astronomická jednotka) pod úhlem jedné obloukové vteřiny. Měří se kolmo k zornému paprsku. Číselně je 1 pc = 30×10¹² km, což je zhruba 3,26 světelného roku. Často používanými násobky jsou kiloparsek (kpc) a megaparsek (Mpc). krychlového dochází k 0,1 události za rok [2]. Pozorováno bylo jak sloučení dvou černých děr, které není možné spatřit v elektromagnetickém spektru, tak sloučení neutronových hvězd, které je doprovázeno i dalšímu signály. Mnoho záblesků má průběh „jako přes kopírák“, což nás ujišťuje o dobrém pochopení procesů při závěrečném sloučení dvou černých děr. Některé záblesky jsou ale atypické a o to cennější. Přinášejí totiž svědectví o procesech na hranici našeho poznání.

Počítačová simulace gravitačních vln vznikajících při sloučení dvou černých děr.
Zdroj: Mark Garlick / Science Photo / Getty Images.

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. Černá 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. Neutronová hvězda – těleso tvořené degenerovaným neutronovým plynem o hmotnosti menší než přibližně 2,2 až 3 MS (Tolmanova-Oppenheimerova-Volkoffova mez). Typický průměr neutronové hvězdy je v řádu desítek kilometrů, průměrná hustota 1017 kg m−3 dosahuje hodnot hustoty atomového jádra. Neutronové hvězdy vznikají při gravitačním kolapsu velmi hmotných červených veleobrů, při výbuchu supernovy typu II. Obrovský tlak způsobuje „vtlačení“ elektronů do protonů za vzniku neutronů a neutrin. Neutronové hvězdy byly teoreticky předpovězeny ve 30. letech 20. století.

LIGO a Virgo

Existuje celá řada návrhů, jak polapit gravitační vlnyGravitační 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., ale jen jeden byl zatím úspěšný. Jde o obří interferometry se dvěma kolmými rameny, v nichž se porovnávají změny chodu paprsků. Ramena jsou konstruována jako rezonanční dutiny, takže se vyhodnocuje mnohonásobný odraz laserového paprsku od koncových zrcadel, která současně slouží jako testovací tělesa a referenční body. Nyní jsou funkční dva detektory 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. s rameny o délce 4 kilometry a jeden detektor 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 rameny o délce 3 kilometry. Jeden z detektorů LIGO je na západním pobřeží USA v Hanfordu a druhý na východě USA v Livingstonu. Třetí zařízení, Virgo, se nachází v Itálii, v blízkosti známé Pisy. Po první fázi experimentů (bez detekce gravitačních vln) prošla zařízení LIGO a Virgo rozsáhlou rekonstrukcí, po níž jsou všechny tři detektory schopné záchytu gravitačních záblesků. LIGO zaznamenalo první gravitační vlny ihned po rekonstrukci, v roce 2015, dokonce to bylo ještě v testovacím režimu. Virgo se přidalo k oběma americkým strojům v srpnu 2017. Detaily naleznete v bulletinech AB 41/2015, 6/2016, 20/2017, 34/2017 a 36/2017.

Zařízení 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. a 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). nefungují kontinuálně, ale jen v průběhu pozorovacích kampaní, které jsou koordinovány mezi USA a Evropou. Současné zachycení záblesku třemi detektory totiž umožní relativně přesné zaměření polohy zdroje na obloze. Období mezi pozorovacími kampaněmi se využívá k údržbě, nastavování a vylepšování detektorů. První pozorovací kampaň probíhala od 12. září 2015 do 19. ledna 2016 a byly v ní zahrnuty oba čerstvě zrekonstruované detektory LIGO. Druhá kampaň probíhala od 30. listopadu 2016 do 25. srpna 2017, v závěru se přidalo evropské Virgo. Zatím poslední, třetí pozorovací kampaň začala 1. dubna 2019. Hned v říjnu 2019 musela být přerušena kvůli nutnému upgradu přístrojů a byla předčasně ukončena v březnu 2020 z důvodu pandemie covidu a nástupu doby rouškové. Záblesky se označují šestičíslím, které reprezentuje datum (první dvě čísla rok, druhá měsíc a třetí den). Pokud je záblesk potvrzen jako gravitační vlna, přibudou dopředu písmena GW (Gravitational Wave). Příkladem může být první detekovaný gravitační záblesk GW150914. Pokud je jen důvodné podezření na gravitační záblesk, ale výsledek není statisticky dostatečně významný, označí se třemi písmeny LVT (Ligo-Virgo Trigger). Dosud byla pozorována sloučení dvou černých děr, dvou neutronových hvězd a neutronové hvězdy s černou dírou.

Pozorované události sloučení dvou hmotných objektů. Na svislé ose je hmotnost původních objektů i výsledného objektu. V grafu jsou zaznamenány i objekty pozorované elektromagneticky (EM). Zaznamenány jsou události ze všech tří dosud proběhlých pozorovacích kampaní (aktualizace grafu je ze září 2020). Zdroj: LIGO-Virgo / Frank Elavsky / Northwestern.

Atypické záblesky

Pokud kolem sebe obíhají dva kompaktní objekty, vždy dochází ke vzniku gravitačních vln, které odnášejí ze systému energii. Nezapomínejme, že energie nemusí mít jen materiální podobu, ale může být uložena i v kinetické energii oběhu a vazebné energii systému. Generované gravitační vlny jsou ale slabé a současnými přístroji neměřitelné. Odvod energie způsobuje pomalé přibližování obou těles (někdy se hovoří o spirále smrti), zkracování periody oběhu a zvyšování frekvence pohybu kolem společného těžiště. V závěrečné fázi těsně před splynutím nabývají gravitační vlny na intenzitě a jsou již detekovatelné. Sloučení dvou kompaktních objektů o sobě dá vědět nezaměnitelným gravitačním zábleskem. Prudce roste intenzita a narůstá frekvence gravitačních vln. V okamžiku sloučení se systém stává sféricky symetrickým, a i když nadále rotuje, žádné gravitační vlny už negeneruje. Gravitační záblesk exponenciálně utichá (tzv. „ringdown“). Ze způsobu narůstání frekvence se dá odhadnout hmotnost systému, z ní pak množství energie vyzářené do gravitačních vln. Ze skutečné intenzity pozorovaného záblesku se pak určí vzdálenost soustavy. Pro splývající černé díry trvá gravitační záblesk do jedné sekundy (typicky 0,5 sekundy). Z toho je patrné, jak rychlá a bouřlivá závěrečná fáze splynutí černých děr je. U neutronových hvězd jsou gravitační záblesky delší, typicky i desítky sekund. Splývající černé díry jsou elektromagneticky tiché, naopak splývající neutronové hvězdy vydávají extrémně silný elektromagnetický signál, někdy se hovoří o tzv. kilonově (podrobnosti viz AB 36/2017).

Průběh některých typických gravitačních záblesků. Jejich frekvenční spektrum je znázorněné intenzitou barvy na pozadí. Dobře patrné je typické narůstání frekvence před splynutím objektů. Zdroj: LIGO / Virgo / Georgia Tech / S. Ghonge, K. Jani.

Největší záblesk (GW190521)

Dosud nejintenzivnější záblesk byl detekován při třetí pozorovací kampani dne 21. května 2019. Označení má GW190521. Šlo o sloučení dvou černých děr s hmotnostmi 85 Sluncí a 66 Sluncí. Výsledná černá díra nemá hmotnost rovnou prostému součtu, ale má „jen“ 142 Sluncí. Zhruba osm Sluncí se vyzářilo v podobě gravitačních vln. Určení hmotností je ale značně nepřesné, chyba se pohybuje kolem dvaceti Sluncí. Jde zatím o největší pozorovanou černou díru, která vznikla sloučením dvou menších černých děr a vyplňuje mezeru mezi hvězdnými černými děrami (hmotnost přibližně deset Sluncí) a galaktickými černými děrami (miliony až miliardy Sluncí). Určení polohy zdroje je značně nepřesné (stovky stupňů čtverečních), takže jen odhadujeme, že signál přišel odkudsi z oblasti souhvězdí Vlasy Bereniky, Honící psi a Fénix. Analýza signálu ukázala, že osy rotace černých děr nebyly totožné. To by mohlo znamenat nestabilitu dráhy, která mohla přispět ke zkrácení doby, po níž se díry k sobě přibližovaly. Předpokládá se, že každý z předchůdců vznikl sloučením dvou černých děr kdysi v minulosti, neboť jejich hmotnost je příliš vysoká na to, aby vznikli jako závěrečné fáze hvězdného vývoje. Velmi zajímavá je skutečnost, že z oblasti byl ve stejné době také detekován optický záblesk. Vzhledem k nepřesnosti určení polohy gravitačního záblesku je ale souvislost obou událostí velmi nejasná. Sloučení dvou černých děr je obvykle elektromagneticky tiché. K optickému záblesku by mohlo dojít například tak, že by nově vzniklá černá díra prošla akrečním diskem další černé díry nacházející se v blízkém okolí. Takový scénář, i když v souvislosti s GW190521 občas zmiňovaný, je ale spíše ze světa scifi než z oblasti reálných fyzikálních úvah.

Představa hierarchické tvorby černých děr středních hmotností.
Zdroj: LIGO / Caltech / MIT / R. Painting (IPAC).

První kilonova (GW170817)

Rekonstrukce evropského detektoru Virgo se značně protáhla, a tak se k americkým detektorům LIGO připojil až v závěru druhé pozorovací kampaně v srpnu 2017, a to na pouhých 25 dní. V jejich průběhu byly detekovány hned dva záblesky. Druhý z nich, označovaný GW170817, byl zcela výjimečný. Dne 17. srpna 2017 bylo totiž poprvé sledováno sloučení dvou neutronových hvězd. Astronom polského původu Bohdan Paczyński navrhl již v roce 1998 v Princetonu, že bude sloučení dvou neutronových hvězd doprovázeno extrémně silným elektromagnetickým zábleskem, pro který se ujal název kilonova (tisíc nov). Detaily vzniku elektromagnetického záblesku naleznete v AB 36/2017. Pozorování záblesku GW170817 bylo nejen potvrzením Paczyńského teorie, ale také prvním multioborovým pozorováním (v gravitačních vlnách a v elektromagnetickém spektru). Neutronové hvězdy měly hmotnost někde v intervalu 1,17 až 1,6 Slunce a výsledný objekt, pravděpodobně černá díra, získal hmotnost 2,74 Slunce. Při sloučení se v gravitačních vlnách vyzářila energie odpovídající hmotnosti 0,025 Slunce. Pozorovatelná část gravitačního záblesku byla dlouhá 40 sekund. Z dat bylo možné odhadnout přibližnou vzdálenost na 130 milionů světelných roků. Elektromagnetický signál byl detekován od infračervené po ultrafialovou oblast a přicházel z eliptické galaxie NGC 4993 ze souhvězdí Hydry. Souvislost gravitačního a elektromagnetického pozorování je v tomto případě vysoce pravděpodobná.

Video ukazující posloupnost událostí vedoucí ke vzniku kilonovy. Zdroj: NASA.

Černé díry slunečních hmotností (GW190814)

Další zcela atypický záblesk byl pozorován dne 14. srpna 2019. Záblesk přilétl ze směru souhvězdí Velryby a Sochaře a neměl žádný optický protějšek. Jedním z objektů byla černá díra o hmotnosti přibližně 23 Sluncí. Druhý objekt měl hmotnost 2,5 až 2,67 Sluncí. A právě druhý objekt se zcela vymyká dosavadním pozorováním. Pokud by šlo o neutronovou hvězdu, byla by její hmotnost enormní a pravděpodobně nad mezí stability. Pokud by šlo o černou díru, je její hmotnost naopak extrémně malá. Hvězdné černé díry mají typicky hmotnosti kolem deseti Sluncí. Černá díra se zdá jako pravděpodobnější kandidát, ale pak se okamžitě vynoří otázka, jak tak lehká černá díra mohla vzniknout. Tým vědců z japonského Kavliho institutu pod vedením Volodymyra Takhistova navrhl zajímavé řešení. Pokud by existovaly malé (promordiální) černé díry, mohly by tu a tam být zachyceny neutronovou hvězdou. Primordiální černá díra by poté „sežrala“ mateřskou neutronovou hvězdu zevnitř a její hmotnost by ve finále byla srovnatelná s hmotností právě zblajznuté neutronové hvězdy. Úvaha je to sice zajímavá (k publikaci ji přijal věhlasný časopis Physical Review Letters), ale zcela nepřehlédnutelný je fakt, že jedna záhada – existence černé díry řádově sluneční hmotnosti – je pouze nahrazena záhadou jinou, a to existencí primordiálních černých děr. Takhistovovu teorii by proto bylo lépe zatím nazývat spíše hypotézou nebo ještě lépe vizí. Ale právě takové vize občas posouvají hranice našeho poznání…

Takhistovova vize vzniku černých děr slunečních hmotností

Video na závěr (LIGO/Virgo objekty)

Video z počítačové simulace zdrojů gravitačních záblesků. Modře jsou znázorněny oblasti pod horizonty černých děr. Zdroj: Teresita Ramirez / Geoffrey Lovelace / SXS Collaboration / LIGO Virgo Collaboration.

Odkazy