v února 2016 , vědci pracující pro Laserový interferometr Gravitation-Wave Observatory (LIGO) se zapsal do historie, když oznámil vůbec první detekci gravitační vlny . Od té doby proběhlo několik detekcí a vědecká spolupráce mezi observatořemi – jako Advanced LIGO a Pokročilá Panna – umožňují bezprecedentní úroveň citlivosti a sdílení údajů.
První detekce gravitačních vln byla nejen historickým úspěchem, ale také zahájila novou éru astrofyziky. Není proto divu, že tři výzkumníci, kteří byli ústředními postavami první detekce, získali v roce 2017 Nobelovu cenu za fyziku. Cena byla udělena společně emeritním profesorům Caltechu Kip S. Thorne a Barry C. Barish spolu s emeritním profesorem MIT Rainerem Weissem.
Zjednodušeně řečeno, gravitační vlny jsou vlnění v časoprostoru, které vzniká při velkých astronomických událostech – jako je sloučení binárního páru černých děr. Poprvé byly předpovězeny před více než stoletím Einsteinova teorie obecné relativity , který naznačil, že masivní poruchy by změnily strukturu časoprostoru. Až v posledních letech však byly poprvé pozorovány důkazy o těchto vlnách.
První signál byl detekován dvěma observatořemi LIGO – v Hanfordu ve Washingtonu a Livingstonu v Louisianě – a byl vysledován ke sloučení černého krtka vzdáleného 1,3 miliardy světelných let. K dnešnímu dni byly zjištěny čtyři detekce, z nichž všechny byly způsobeny sloučením párů černých děr. Tyto se konaly dne 26. prosince 2015 , 4. ledna 2017 , a 14. srpna 2017 , poslední detekovaný LIGO a European Detektor gravitačních vln v Panně .
Za roli, kterou v tomto počinu sehráli, byla polovina ceny udělena společně Barrymu C. Barishovi z Caltechu – emeritním profesorům fyziky Ronaldovi a Maxine Lindeovým – a Kipu S. Thorneovi, profesorovi teoretické fyziky Richardu P. Feynmanovi. , emeritní. Druhá polovina byla udělena Raineru Weissovi, emeritnímu profesorovi fyziky na Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Jak řekl prezident Caltech Thomas F. Rosenbaum – prezidentská židle Sonja a William Davidowovi a profesor fyziky – v nedávném Caltechu tiskové prohlášení :
„Jsem potěšen a poctěn, že mohu poblahopřát Kipovi a Barrymu a také Rai Weissovi z MIT k udělení Nobelovy ceny za fyziku za rok 2017 dnes ráno. První přímé pozorování gravitačních vln pomocí LIGO je mimořádnou ukázkou vědeckého vidění a vytrvalosti. Díky čtyřem desetiletím vývoje znamenitě citlivého přístrojového vybavení – posouvajícího kapacitu naší představivosti – jsme nyní schopni zahlédnout vesmírné procesy, které byly dříve nedetekovatelné. Je to skutečně začátek nové éry v astrofyzice.'
Tento úspěch byl o to působivější, že Albert Einstein, který jako první předpověděl jejich existenci, věřil, že gravitační vlny jsou příliš slabé na to, aby je bylo možné studovat. V 60. letech 20. století však pokroky v laserové technologii a nové poznatky o možných astrofyzikálních zdrojích vedly vědce k závěru, že tyto vlny mohou být skutečně detekovatelné.
První detektory gravitačních vln sestrojil Joseph Weber, astrofyzik z University of Maryland. Jeho detektory, které byly postaveny v 60. letech, se skládaly z velkých hliníkových válců, které byly poháněny tak, aby vibrovaly průchodem gravitačních vln. Následovaly další pokusy, ale všechny se ukázaly jako neúspěšné; což vyvolalo posun směrem k novému typu detektoru zahrnujícího interferometrii.
Jeden takový přístroj vyvinul Weiss na MIT, který se spoléhal na techniku známou jako laserová interferometrie. V tomto druhu přístroje se gravitační vlny měří pomocí široce rozmístěných a oddělených zrcadel, která odrážejí lasery na velké vzdálenosti. Když gravitační vlny způsobí, že se prostor natáhne a zmáčkne o nekonečně malé množství, způsobí to nepatrné posunutí odraženého světla uvnitř detektoru.
Ve stejné době Thorne – spolu se svými studenty a postdoktorandy na Caltech – začal pracovat na vylepšení teorie gravitačních vln. To zahrnovalo nové odhady síly a frekvence vln produkovaných objekty jako černé díry, neutronové hvězdy a supernovy. To vyvrcholilo dokumentem z roku 1972, který Throne publikoval společně se svým studentem Billem Pressem a který shrnul jejich vizi toho, jak lze studovat gravitační vlny.
Téhož roku Weiss také zveřejnil podrobnou analýzu interferometrů a jejich potenciálu pro astrofyzikální výzkum. V tomto článku uvedl, že operace ve větším měřítku – o velikosti několika km nebo více – by mohly mít šanci detekovat gravitační vlny. Identifikoval také hlavní problémy detekce (jako jsou vibrace ze Země) a navrhl možná řešení, jak jim čelit.
Barry C. Barish a Kip S. Thorne, dva ze tří držitelů Nobelovy ceny za fyziku za rok 2017. Kredit: Caltech
V roce 1975 Weiss pozval Thorna, aby promluvil na schůzi výboru NASA ve Washingtonu, DC, a oba strávili celou noc povídáním o gravitačních experimentech. V důsledku jejich rozhovoru se Thorne vrátil do Caltehu a navrhl vytvoření experimentální gravitační skupiny, která by pracovala na interferometrech paralelně s výzkumníky z MIT, University of Glasgow a University of Garching (kde se prováděly podobné experimenty).
Vývoj prvního interferometru začal krátce poté v Caltech, což vedlo k vytvoření 40metrového (130 stop) prototypu k testování Weissových teorií o gravitačních vlnách. V roce 1984 se veškerá práce prováděná těmito příslušnými institucemi spojila. Caltech a MIT, s podporou Národní vědecká nadace (NSF) vytvořila spolupráci LIGO a začala pracovat na svých dvou interferometrech v Hanfordu a Livingstonu.
Stavba LIGO byla velkou výzvou, jak logisticky, tak technicky. Věci však nesmírně pomohlo, když se Barry Barish (tehdy částicový fyzik z Caltechu) stal v roce 1994 hlavním vyšetřovatelem (PI) LIGO. Po deseti letech pozastavených pokusů byl také jmenován ředitelem LIGO a uvedl jeho konstrukci zpět na trať. . Také rozšířil výzkumný tým a vypracoval podrobný plán práce pro NSF.
Jako Barish uvedeno , práce, kterou udělal s LIGO, byla něco jako splněný sen:
„Vždy jsem chtěl být experimentálním fyzikem a přitahovala mě myšlenka využít neustálý pokrok v technologii k provádění základních vědeckých experimentů, které by jinak nešlo. LIGO je ukázkovým příkladem toho, co dříve nešlo. Přestože se jednalo o velmi rozsáhlý projekt, výzvy byly velmi odlišné od způsobu, jakým stavíme most nebo provádíme jiné velké inženýrské projekty. Pro LIGO bylo a je výzvou, jak vyvinout a navrhnout pokročilé přístrojové vybavení ve velkém měřítku, i když se projekt vyvíjí.“
Dvě zařízení společnosti LIGO, která se nacházejí v Livingstonu v Louisianě a Hanfordu ve státě Washington. Kredit: ligo.caltech.edu
V roce 1999 byla výstavba observatoří LIGO dokončena a v roce 2002 začalo LIGO získávat data. V roce 2008 začaly práce na vylepšení jeho původních detektorů, známých jako Advanced LIGO Project. Proces přeměny 40metrového prototypu na současné 4km (2,5 mil) interferometry LIGO byl obrovským úkolem, a proto bylo nutné jej rozdělit na kroky.
První krok se uskutečnil v letech 2002 až 2010, kdy tým postavil a otestoval počáteční interferometry. I když to nevedlo k žádné detekci, demonstrovalo to základní koncepty observatoře a vyřešilo mnoho technických překážek. Další fáze – nazvaná Advanced LIGO, která proběhla v letech 2010 až 2015 – umožnila detektorům dosáhnout nové úrovně citlivosti.
Tyto upgrady, ke kterým došlo také pod Barishovým vedením, umožnily vývoj několika klíčových technologií, které nakonec umožnily první detekci. Jako Barish vysvětlil :
„V počáteční fázi LIGO, abychom izolovali detektory od zemského pohybu, jsme použili závěsný systém, který se skládal ze zkušebních zrcadel zavěšených na klavírovém drátu a použili jsme vícestupňovou sadu pasivních tlumičů, podobných těm ve vašem autě. Věděli jsme, že to pravděpodobně nebude dost dobré pro detekci gravitačních vln, a tak jsme v laboratoři LIGO vyvinuli ambiciózní program pro Advanced LIGO, který zahrnoval nový závěsný systém pro stabilizaci zrcadel a aktivní seismický izolační systém pro snímání a korekci pohyby země.'
Rainer Weiss, známý fyzik z MIT a částečný vítěz Nobelovy ceny za fyziku za rok 2017. Kredit: MIT/Bryce Vickmark
Vzhledem k tomu, jak ústřední byli Thorne, Weiss a Barish pro studium gravitačních vln, byli všichni tři právem uznáni jako letošní nositelé Nobelovy ceny za fyziku. Thorne i Barish byli informováni, že vyhráli v časných ranních hodinách 3. října 2017. V reakci na tyto zprávy oba vědci jistě uznali pokračující úsilí LIGO, vědeckých týmů, které k němu přispěly, a úsilí Caltechu a MIT při vytváření a údržbě observatoří.
„Cena právem patří stovkám vědců a inženýrů LIGO, kteří postavili a zdokonalili naše komplexní interferometry gravitačních vln, a stovkám vědců LIGO a Virgo, kteří našli signály gravitačních vln v hlučných datech LIGO a extrahovali informace o vlnách, “ řekl Thorne. 'Je nešťastné, že kvůli stanovám Nobelovy nadace nesmí cena dostat více než tři osoby, když je náš úžasný objev dílem více než tisíce.'
'Jsem pokorný a poctěn, že jsem obdržel toto ocenění,' řekl Barish. „Detekce gravitačních vln je skutečně triumfem moderní rozsáhlé experimentální fyziky. Během několika desetiletí naše týmy v Caltech a MIT vyvinuly LIGO do neuvěřitelně citlivého zařízení, které přineslo objev. Když signál dosáhl LIGO ze srážky dvou hvězdných černých děr, ke které došlo před 1,3 miliardami let, 1 000 vědeckých pracovníků LIGO Scientific Collaboration dokázalo během několika minut identifikovat kandidátskou událost a provést podrobnou analýzu, která přesvědčivě prokázala, že gravitační vlny existovat.'
Při pohledu do budoucna je také docela jasné, že Advanved LIGO, Advanced Virgo a další observatoře gravitačních vln po celém světě teprve začínají. Kromě detekce čtyř samostatných událostí nedávné studie naznačily, že detekce gravitačních vln by také mohla otevřít nové hranice pro astronomický a kosmologický výzkum.
Například nedávná studie týmu výzkumníků z USA Monash centrum pro astrofyziku navrhl teoretický koncept známý jako ‚sirotčí paměť‘. Podle jejich výzkumu gravitační vlny nejenže způsobují vlny v časoprostoru, ale zanechávají v jeho struktuře trvalé vlnění. Studiem „sirotků“ minulých událostí lze studovat gravitační vlny, jak dosáhnou Země, tak dlouho poté, co projdou.
Kromě toho a studie byla vydána v srpnu týmem astronomů z Centrum kosmologie na University of California Irvine, která ukázala, že spojování černých děr je mnohem běžnější, než jsme si mysleli. Po provedení průzkumu vesmíru určeného k výpočtu a kategorizaci černých děr tým UCI zjistil, že v galaxii může být až 100 milionů černých děr.
Další nedávná studie naznačil, že Pokročilé LIGO , GEO 600 , a Detekční síť gravitačních vln Panny mohl být také použit k detekci gravitačních vln vytvářených supernovami. Detekcí vln vytvořených hvězdami, které explodují na konci své životnosti, by astronomové mohli poprvé nahlédnout do srdcí kolabujících hvězd a zkoumat mechaniku tvorby černých děr.
Nobelova cena za fyziku je jedním z nejvyšších vyznamenání, které může být vědci uděleno. Ale ještě větší je vědomí, že velké věci vzešly z vlastní práce. Desetiletí poté, co Thorne, Weiss a Barish začali navrhovat studie gravitačních vln a pracovat na vytvoření detektorů, dělají vědci z celého světa hluboké objevy, které revolučně mění způsob, jakým přemýšlíme o vesmíru.
A jak tito vědci jistě potvrdí, to, co jsme zatím viděli, je jen špička ledovce. Lze si představit, že někde Einstein také září hrdostí. Stejně jako u jiných výzkumů týkajících se jeho teorie obecné relativity i studium gravitačních vln ukazuje, že i po století byly jeho předpovědi stále platné!
A nezapomeňte se podívat na toto video z tiskové konference Caltech, kde byli Barish a Thorn oceněni za své úspěchy: