Deset let od prvního důkazu gravitačních vln

LIGO, Virgo a KAGRA slaví výročí první detekce gravitačních vln a oznamují ověření teorie Stephena Hawkinga o oblasti černé díry. 14. září 2015 dorazil na Zemi signál, který nesl informace o dvojici vzdálených černých děr, které se spirálovitě přibližovaly a spojily. Signál urazil rychlostí světla asi 1,3 miliardy let, aby se k nám dostal — ale nebyl to světelný signál. Byl to jiný druh signálu: chvění časoprostoru zvané gravitační vlny, které poprvé předpověděl Albert Einstein před 100 lety. Toho dne před 10 lety provedly dvojité detektory laserové interferometrové observatoře gravitačních vln (LIGO) vůbec první přímou detekci gravitačních vln. Spolupráce LIGO a Virgo to oznámila světu v únoru 2016, po šesti měsících analýzy a ověřování.  

Tento historický objev znamenal, že výzkumníci nyní mohli vnímat vesmír nejen pomocí elektromagnetického vlnění, jako je rentgenové záření, optické, rádiové a další. Výzkumníci byli svědky kosmické události prostřednictvím gravitační deformace časoprostoru. O tomto úspěchu poprvé snili před více než 40 lety, a tři z nich, zakladatelé detektoru LIGO, získali Nobelovu cenu za fyziku v r. 2017: Rainer Weiss z MIT, emeritní profesor fyziky (který nedávno zemřel ve věku 92 let); Barry Barish z Caltechu; a Kip Thorne z Caltechu. 

Síť LVK

LIGO, který se skládá z detektorů v Hanfordu (Washington) a Livingstonu (Louisiana), Virgo detektoru v Itálii a KAGRA v Japonsku, v současné době běžně pozorují zhruba jedno sloučení černých děr každé tři dny. Dohromady již síť pro lov gravitačních vln, známá jako LVK (LIGO, Virgo, KAGRA), zachytila celkem více než 300 sloučení černých děr, z nichž většina je již potvrzena, další čekají na ověřovací analýzu. Během současného vědeckého běhu sítě, čtvrtého od prvního běhu v roce 2015, LVK objevila asi 230 kandidátských fúzí černých děr, což je více než zdvojnásobení počtu zachycených v prvních třech bězích.

 Dramatický nárůst počtu objevů LVK za poslední desetiletí je způsoben několika vylepšeními jejich detektorů díky špičkovému kvantově přesnému inženýrství. Gravitační vlnové interferometry zůstávají zdaleka nejpřesnějšími přístroji pro provádění měření, jaké kdy lidé vytvořili. Časoprostorová zkreslení vyvolaná gravitačními vlnami jsou neuvěřitelně nepatrná. Aby je LIGO a Virgo vycítily, musí detekovat změny v časoprostoru menší než 1/10 000 šířky protonu. To je 700 bilionkrát méně než šířka lidského vlasu.

 Zatím nejčistší signál  

Zlepšenou citlivost přístrojů ilustruje nedávný objev sloučení černých děr označovaný jako GW250114 (čísla označují datum, kdy signál gravitační vlny dorazil na Zemi: 14. ledna 2025). Tato událost se příliš nelišila od vůbec první detekce nazývané GW150914. Obě detekují kolizi černých děr vzdálených asi 1,3 miliardy světelných let s hmotností 30 až 40krát větší než naše Slunce. Ale díky desetiletému technologickému pokroku snižujícímu instrumentální šum je signál GW250114 dramaticky jasnější. „Slyšíme to nahlas a jasně, a to nám umožňuje otestovat základní fyzikální zákony“, říká členka týmu LIGO Katerina Chatziioannou, odborná asistentka fyziky na Caltechu a William H. Hurt Scholar, jedna z předních autorů nové studie o GW250114 publikované ve Physical Review Letters.

Teorém o oblasti černých děr

Analýzou frekvencí gravitačních vln emitovaných sloučením černých děr byl tým LVK schopen poskytnout nejlepší dosud zachycené pozorovací důkazy pro to, co je známé jako teorém o oblasti černých děr, myšlenka předložená Stephenem Hawkingem v roce 1971, která říká, že celkové povrchové plochy černých děr se nemohou zmenšit. Když se černé díry spojí, jejich hmoty se spojí, čímž se zvětší plocha povrchu. Při jevu ale také ztrácejí energii v podobě gravitačních vln. Sloučení může navíc způsobit, že kombinovaná černá díra zvýší svou rotaci, což vede k tomu, že má menší plochu. Věta o ploše černé díry říká, že navzdory těmto konkurenčním faktorům musí celková plocha povrchu narůst. Později Hawking a fyzik Jacob Bekenstein dospěli k závěru, že plocha černé díry je úměrná její entropii nebo stupni poruchy. Zjištění připravila půdu pro pozdější průlomovou práci v oblasti kvantové gravitace, která se pokouší sjednotit dva pilíře moderní fyziky: obecnou relativitu a kvantovou fyziku.

Hawking by měl radost

 V podstatě detekce (provedená pouze prostřednictvím LIGO (Virgo procházela běžnou údržbou a KAGRA byla během tohoto konkrétního pozorování offline) umožnila týmu „slyšet“ dvě černé díry, jak rostou, když se spojily do jedné, což ověřilo Hawkingův teorém. Počáteční černé díry měly celkovou plochu povrchu 240 000 kilometrů čtverečních (zhruba velikost Spojeného království), zatímco konečná plocha byla asi 400 000 kilometrů čtverečních (téměř velikost Švédska) — tedy jasné zvýšení. Toto je druhý test teorému o oblasti černé díry; první byl proveden v roce 2021 s použitím dat z prvního signálu GW150914, ale protože tato data nebyla tak čistá, výsledky měly úroveň spolehlivosti 95 % ve srovnání s 99,999 % u nových dat. Kip Thorne si vzpomíná, jak mu Hawking zavolal, aby se zeptal, zda by LIGO mohlo být schopno otestovat jeho teorém, ihned poté, co se dozvěděl o detekci gravitačních vln v roce 2015. Hawking zemřel v roce 2018 a bohužel se nedožil potvrzení své teorie. „Kdyby byl Hawking naživu, potěšilo by ho, že se oblast sloučených černých děr skutečně zvětšila“, říká Thorne.

 Jako zvon

Nejsložitější část tohoto typu analýzy měla co do činění s určením konečné plochy sloučené černé díry. Povrchové plochy černých děr před fúzí lze snadněji určit, když se dvojice spirálovitě stáčí dohromady, roluje časoprostor a vytváří gravitační vlny. Ale poté, co se černé díry spojí, signál není tak jasný. Během této takzvané „fáze zvonění“ (ringdown) finální černá díra vibruje jako udeřený zvon.

V nové studii byli vědci schopni přesně změřit detaily fáze ringdown, což jim umožnilo vypočítat hmotnost a spin černé díry a následně určit její povrch. Přesněji řečeno, byli schopni poprvé s jistotou vybrat dva odlišné režimy gravitačních vln ve fázi ringdown. Režimy jsou jako charakteristické zvuky, které by zvonek vydal při úderu; mají poněkud podobné frekvence, ale vymírají různými rychlostmi, což ztěžuje jejich identifikaci. Další studie z LVK, poslaná do Physical Review Letters, provádí některé z dosud nejpřísnějších testů přesnosti obecné teorie relativity při popisu slučování černých děr. 

Posouvání limitů

LIGO a Virgo v posledním desetiletí odhalily některá tajemství neutronových hvězd. Stejně jako černé díry představují neutronové hvězdy smrt hmotných hvězd, ale váží méně a září světlem. Za zmínku stojí, že v srpnu 2017 byly LIGO a Virgo svědky epické srážky mezi dvojicí neutronových hvězd. Vznikla kilonova, která vyslala zlato a další těžké prvky do vesmíru a přitáhla pohledy desítek dalekohledů po celém světě. Vědci zachycovali elektromagnetické záření v rozsahu od vysokoenergetického gama záření až po nízkoenergetické rádiové vlny. Astronomové událost nazvali  „multi-messenger“, protože to bylo poprvé, kdy byly světlo i gravitační vlny zachyceny v jediné kosmické události. LVK nadále upozorňuje astronomickou komunitu na potenciální srážky neutronových hvězd. Události se pak ověřují a pomocí dalekohledů se hledají na obloze známky další kilonovy. „Globální síť LVK je nezbytná pro astronomii gravitačních vln“, říká Gianluca Gemme, mluvčí Virgo a ředitel výzkumu INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). „Se třemi nebo více detektory pracujícími unisono můžeme přesněji určit kosmické události, extrahovat bohatší astrofyzikální informace a vydat rychlé výstrahy pro sledování. Virgo je hrdá na to, že může přispět k tomuto celosvětovému vědeckému úsilí.“

Mezi další vědecké objevy LVK patří první detekce srážek mezi jednou neutronovou hvězdou a jednou černou dírou; asymetrické fúze, při kterých je jedna černá díra výrazně hmotnější než její partnerská neutronová hvězda; objev nejlehčích známých černých děr, zpochybňující myšlenku, že existuje velký rozdíl mezi neutronovými hvězdami a černými dírami; a dosud nejmasivnější zaznamenané sloučení   černých děr s výslednou hmotností 225 hmotností Slunce. Pro informaci: předchozí rekordman pro nejmasivnější fúzi měl celkovou hmotnost 140 hmotností Slunce.

Další plány 

V nadcházejících letech vědci z LVK doufají, že své stroje dále doladí a rozšíří jejich dosah dále hlouběji do vesmíru. Plánují také využít získané znalosti k vybudování dalšího detektoru gravitačních vln LIGO Indie. Při pohledu dál do budoucnosti vědci pracují na konceptu ještě větších detektorů. Evropský projekt, nazvaný Einsteinův dalekohled, plánuje postavit jeden nebo dva obrovské podzemní interferometry s rameny o délce více než 10 km, další, americký, tzv. Kosmický průzkumník, by byl podobný současnému LIGO, ale s rameny dlouhými 40 km. Observatoře v tomto měřítku by vědcům umožnily slyšet nejstarší sloučení černých děr ve vesmíru a možná i ozvěnu gravitačních otřesů úplně prvních okamžiků našeho vesmíru.

 “Toto je úžasný čas pro výzkum gravitačních vln: díky přístrojům jako Virgo, LIGO a KAGRA můžeme prozkoumat temný vesmír, který byl dříve zcela nepřístupný,“ řekl Massimo Carpinelli, profesor na University of Milano-Bicocca a ředitel Evropské gravitační observatoře v Cascině. „Vědecké úspěchy posledních deseti let spouštějí skutečnou revoluci v našem pohledu na vesmír. Již nyní připravujeme novou generaci detektorů jako Einsteinův dalekohled v Evropě a Cosmic Explorer v USA a také kosmický interferometr LISA, který nás zavede ještě dále do vesmíru a zpět v čase. V nadcházejících letech budeme jistě schopni tyto mimořádné výzvy řešit díky stále širší a pevnější spoluprací mezi vědci, různými zeměmi a institucemi, a to jak na evropské, tak na celosvětové úrovni.”

Spolupráce LIGO-Virgo-KAGRA

LIGO je financován NSF (nezávislá vládní agentura USA, The National Science Foundation) a provozován Caltech a MIT, které společně projekt vymyslely a postavily. Finanční podporu projektu Advanced LIGO vedla NSF, přičemž Německo (Max Planck Society), Spojené království (Science and Technology Facilities Council) a Austrálie (Australian Research Council) přijaly významné závazky a příspěvky k projektu. Více než 1 600 vědců z celého světa se účastní úsilí prostřednictvím LIGO Scientific Collaboration, která zahrnuje GEO Collaboration. Další partneři jsou uvedeni na my.ligo.org/census.php.

Virgo má v současnosti přibližně 1 000 členů ze 175 institucí ve 20 různých (především evropských) zemích. Evropská gravitační observatoř (EGO) hostí detektor Virgo poblíž Pisy v Itálii a je financována Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) ve Francii, Národním institutem jaderné fyziky (INFN) v Itálii, Národním institutem subatomární fyziky (Nikhef) v Nizozemsku, Výzkumnou nadací – Flanders (FWO) a Belgickým fondem pro vědecký výzkum (FRS–FNRS). Seznam skupin Virgo Collaboration naleznete na: https://www.virgo-gw.eu/about/scientific-collaboration/ Více informací je k dispozici na webových stránkách Virgo na adrese https://www.virgo-gw.eu

KAGRA je laserový interferometr s délkou ramene 3 km v Kamioka, Gifu, v Japonsku. Hostitelským institutem je Institut pro výzkum kosmického záření (ICRR), Tokijská univerzita a projekt spolupořádají Japonská národní astronomická observatoř (NAOJ) a Organizace pro výzkum vysokoenergetických urychlovačů (KEK). Skupina KAGRA se skládá z více než 400 členů ze 128 institutů v 17 zemích/regionech. Informace KAGRA pro široké publikum jsou na webových stránkách gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/. Zdroje pro výzkumné pracovníky jsou dostupné z gwwiki.icrr.u-tokyo.ac.jp/JGWwiki/KAGRA.

Více informací: https://www.ego-gw.it/ 
Multimediální materiály: https://tinyurl.com/GW250114 

Zdroj: tisková zpráva LVK