Zatímco obvykle vědci na Nobelovu cenu za významné objevy čekají celý život (a mnozí se jí ani nedožijí), tentokrát to šlo překvapivě rychle: zpráva o zachycení průchodu gravitačních vln se objevila na titulních stranách předních světových deníků roku 2016, objev tehdy byl po pečlivém ověřování zveřejněn s ročním zpožděním.

Tim Radford z The Guardian tehdy prorocky napsal: "Vědci, kteří pozorovali vzdálený tanec smrti dvou černých děr, jsou vážnými kandidáty na Nobelovu cenu."

Radford tehdy uvedl tři jména: Rainer Weiss, Kip Thorne a Ronald Drever. Ronald Drever se ale zařadil do zástupu těch, kterým smrt Nobelovu cenu vzala – v propozicích nobelovského výboru stojí, že ji mohou obdržet pouze žijící vědci, skotský fyzik Ronald Drever ale letos v březnu zemřel. A tak na jeho místo postoupil další spoluautor objevu Barry Barish (81) z kalifornského Institute of Technology.

I zbývající dva jsou Američané: astrofyzik Kip Thorne (77) také pracuje na Institute of Technology v Kalifornii, Reiner Weiss (85) je z Massachusetts Institute of Technology.

Vzdálený tanec smrti

Gravitace je jednou ze čtyř základních sil, které drží vesmír pohromadě (další jsou elektromagnetická síla, slabá jaderná síla a silná jaderná síla).

I když se nám to na povrchu Země tak nejspíš nezdá, je velmi slabá. Oproti "konkurenčním" silám má ale jinou přednost: působí na velmi velké vzdálenosti.

A ze všech čtyř je nejzáhadnější, protože její podstatu vědci zatím neznají – Newtonovy zákony ji pouze popisují a teorie relativity v podstatě také. Nechybí ani názory, že jejím nositelem jsou neznámé částice (gravitony v pokusu o kvantovou teorii gravitace) nebo že teoreticky předpokládaná temná hmota vesmíru není projev gravitace, ale jen chyba dosavadních teorií o ní.

Einsteinova teorie relativity popsala gravitaci jako deformaci časoprostoru a současně jaksi mimochodem předpověděla existenci gravitačních vln. Vznikají, když se tělesa s velkou hmotností pohybují určitým způsobem a tím způsobená deformace časoprostoru se šíří kolem nich rychlostí světla.

Můžeme si ji představit jako spirálovitou vlnu šířící se na hladině kolem předmětu, který se pohybuje v kruhu. Gravitační vlny vypadají podobně, jen s tím rozdílem, že nedeformují vodní hladinu, ale časoprostor.

"Vzdálený tanec smrti", o němž psal Tim Radford, byl jedním z teorií předpokládaných případů vzniku gravitačních vln. Odehrál se před 1,3 miliardy let, když se na sebe zřítily dvě černé díry, do té doby obíhající velkou rychlostí kolem sebe.

V poslední chvíli před tím, než se z nich stala supermasivní gravitační past, vyzářily část energie v podobě gravitační vlny.

Ta k Zemi dorazila 14. září 2015 – a právě tehdy ji zachytila dvojice detektorů těchto vln v rámci experimentu LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).

Nové okno do vesmíru

Odhalit gravitační vlnu je teoreticky snadné: její průchod prozradí změna vzdálenosti mezi dvěma předměty. V praxi to už tak snadné není, protože jde o vzdálenosti ještě menší, než jsou vzdálenosti částic v atomu.

Dalším problémem je, jak odlišit tyto nepatrné pohyby od projevů jiných vlivů. Na tom také ztroskotalo více než půl století trvající hledání důkazu jejich existence.

Detektory experimentu LIGO proto nejsou žádná stolní zařízení, ale tunely dlouhé čtyři kilometry, z nichž je vyčerpán vzduch.

Navzájem se kříží a jejich tubusy procházejí laserové paprsky, které se setkávají v místě křížení. Vše je nastavené tak, aby se tady v důsledku interference navzájem vyrušily.

Protože jsou ale tunely navzájem kolmé, gravitační vlna jdoucí jedním směrem jeden z nich zkrátí, druhý ne. Systém se v takovém okamžiku rozladí a k vyrušení nedojde, což zaznamenají citlivé detektory.

Vypadá to jednoduše, ale praxe je mnohem složitější. Změny způsobené gravitačními vlnami jsou nepatrné, takže na systém mnohem víc působí jiné vlivy (otřesy půdy atd.). Proto jsou dvě zařízení na opačném konci Spojených států – jedno v Hanfordu ve státě Washington, druhé v Livingstonu (Louisiana). Když se rozladí obě ve stejnou chvíli (přesněji řečeno s odpovídajícím nepatrným časovým rozdílem), je jisté, že šlo o gravitační vlnu. Činnost systému LIGO proto vyhodnocují výkonné počítače.

Význam potvrzení existence gravitačních vln spočívá především v potvrzení správnosti dosavadních teorií. Současně ale také otevírá nové okno ke zkoumání vesmíru, protože ukázalo cestu, jak vlny detekovat a získaná data interpretovat.

"Všechny druhy elektromagnetického záření a částic, které přicházejí z vesmíru, nám vypovídají o jeho podobě," říká zdůvodnění nobelovského výboru k udělení letošní ceny za fyziku. "Gravitační vlny ale ukazují mnohem víc; jsou přímým svědectvím o deformacích časoprostoru. Před námi se tak otevírá možnost zkoumat úplně nový svět."

Související