Co jsou gravitační vlny?

V pondělí (16. října 2017), LIGO a Panna oznámily první detekci gravitačních vln produkovaných srážkou neutronových hvězd. Co jsou to gravitační vlny? Zde je vysvětlení od Grena Iresona, Nottingham Trent University

Abychom tento jev nejlépe pochopili, vraťme se v čase o několik set let. V roce 1687, kdy Isaac Newton publikoval svou filozofii Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, uvažoval o gravitační síle jako o přitažlivé síle mezi dvěma masami - ať už jde o Zemi a Měsíc nebo o dva hrášky na stole. Povaha toho, jak byla tato síla přenesena, však byla v té době méně dobře pochopena. Samotný zákon gravitace nebyl testován, dokud to britský vědec Henry Cavendish v roce 1798 neučinil, zatímco měřil hustotu Země.

Rychle vpřed do roku 1916, kdy Einstein představil fyzikům nový způsob myšlení o prostoru, čase a gravitaci. Na základě práce publikované v roce 1905 se teorie obecné relativity spojila s tím, co to, co běžně považujeme za oddělené entity - prostor a čas -, se nazývá „časoprostor“.

Časoprostor lze považovat za strukturu vesmíru. To znamená vše, co se pohybuje, pohybuje se skrz něj. V tomto modelu vše s hmotou narušuje časoprostorovou strukturu. Čím větší je hmotnost, tím větší je deformace. A protože každý pohybující se objekt se pohybuje v časoprostoru, bude také sledovat deformace způsobené objekty s velkou hmotností.

Jeden způsob, jak o tom přemýšlet, je vzít v úvahu dvě děti, jedno těžší než druhé, hrající na trampolíně. Pokud zacházíme s povrchem trampolíny jako s látkou, potom hmotnější dítě deformuje látku více než jiné. Pokud jedno dítě umístí míč blízko nohou druhého, bude se kroutit směrem k jejich nohám nebo následovat jejich zkreslení. Podobně, když Země obíhá kolem Slunce, ohromná hmota Slunce zkresluje prostor kolem něj a zanechává naši relativně malou planetu následnou jako „přímou“ cestu, jak je to možné, ale v zakřiveném prostoru. To je důvod, proč končí obíhat kolem Slunce.

Trampolíny: zábavné a vzdělávací. Obrázek přes cotrim / pixabay.

Pokud přijmeme tuto jednoduchou analogii, pak máme základy gravitace. Přechod na gravitační vlny je malý, ale velmi důležitý krok. Nechte jedno z dětí na trampolíně táhnout těžký předmět přes povrch. To vytváří zvlnění na povrchu, který lze pozorovat. Dalším způsobem, jak si to představit, je zvážit pohyb rukou po vodě. Vlny nebo vlny se rozšířily ze svého původu, ale rychle se rozpadly.

Jakýkoli objekt, který se pohybuje skrz látku časoprostoru, způsobuje vlny nebo vlnění v této látce. Tyto vlnky bohužel také poměrně rychle mizí a pouze ty nejnásilnější události způsobují deformace natolik velké, aby byly detekovány na Zemi. Abychom to uvedli do perspektivy, dvě srážející se černé díry, každá s hmotností desetkrát větší než naše slunce, by vedly k vlně způsobující zkreslení 1% průměru atomu, když dosáhne Země. V tomto měřítku je zkreslení řádově 0, 0000000000001m změna průměru Země ve srovnání se změnou 1m v důsledku přílivové boule.

Na co lze gravitační vlny použít?

Vzhledem k tomu, že tyto vlnky jsou tak malé a tak obtížné je odhalit, proč jsme vynaložili takové úsilí, abychom je našli - a proč bychom se měli starat o jejich zjištění? Přicházejí na mysl dva bezprostřední důvody (nechám stranou svůj vlastní zájem jen o to, abych to věděl). Jedním je, že je před 100 lety Einstein předpověděl. Potvrzení existence gravitačních vln proto poskytuje další silnou pozorovací podporu jeho obecné teorii relativity.

Kromě toho by potvrzení mohlo otevřít nové oblasti fyziky, jako je gravitační vlnová astronomie. Studiem gravitačních vln z procesů, které je emitovaly - v tomto případě dvě slučující černé díry - jsme mohli vidět intimní detaily násilných událostí ve vesmíru.

LISA, plánovaný kosmický laserový interferometr, mohl podrobně studovat astrofyzikální zdroje gravitačních vln. Obrázek přes NASA.

Abychom však co nejlépe využili takovou astronomii, je nejlepší umístit detektor do vesmíru. Zemskému LIGO se podařilo zachytit gravitační vlny pomocí laserové interferometrie. Tato technika funguje tak, že rozdělí laserový paprsek do dvou kolmých směrů a posílá každý dolů dlouhý vakuový tunel. Obě cesty se pak zrcadly odrazí zpět do bodu, ve kterém začaly, kde je umístěn detektor. Pokud by vlny byly na cestě rušeny gravitačními vlnami, rekombinované paprsky by se lišily od původních. Avšak vesmírné interferometry plánované na příští desetiletí budou používat laserová ramena s rozpětím až milión kilometrů.

Nyní, když víme, že existují, doufáme, že gravitační vlny by mohly otevřít dveře k odpovědi na některá z největších tajemství vědy, jako je to, z čeho je většina vesmíru vyrobena. Pouze 5% vesmíru je obyčejná hmota, 27% je temná hmota a zbývajících 68% je temná energie, přičemž poslední dvě se nazývají „dark“, protože nechápeme, co jsou. Gravitační vlny mohou nyní poskytnout nástroj, pomocí kterého můžeme tyto záhady sondovat podobným způsobem, jakým nám rentgenové paprsky a MRI umožnily zkoumat lidské tělo.

Gren Ireson, profesor přírodovědného vzdělávání, koordinátor výzkumu v rámci školy vzdělávání, Nottingham Trent University

Tento článek byl původně publikován v The Conversation. Přečtěte si původní článek.

Počítačová simulace dvou fúzujících černých děr produkujících gravitační vlny. Obrázek přes Werner Benger.

Sečteno a podtrženo: Vysvětlení gravitačních vln.