EINSTEIN MĚL PRAVDU: JAK LIDSTVO POSTAVILO STROJ, KTERÝ SLYŠÍ VESMÍR

Experiment zvaný LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) stál více než miliardu dolarů a stál za ním úsilí stovek vědců. Výsledek však navždy změnil náš pohled na vesmír. Dali jsme si totiž zcela nový smysl. Představte si, že jste v džungli a můžete jen vidět. A najednou můžete i slyšet. Přesně to pro nás LIGO udělalo.

Klíčové body článku:

• Einsteinova předpověď: Albert Einstein před více než 100 lety předpověděl existenci gravitačních vln – vlnění v samotné struktuře časoprostoru.
• Extrémní přesnost: LIGO dokáže měřit změny vzdálenosti 10 000krát menší, než je průměr protonu.
• Technologický zázrak: Experiment využívá 4 km dlouhá ramena, jedno z nejlepších vakuí na světě, nejdokonalejší zrcadla a laser silnější než 80 milionů běžných ukazovátek.
• První detekce: V roce 2015 LIGO poprvé zachytilo signál ze srážky dvou černých děr vzdálených 1,3 miliardy světelných let, což vědcům vyneslo Nobelovu cenu.
• Nový smysl: Díky gravitačním vlnám můžeme „slyšet“ události, které jsou pro teleskopy neviditelné, jako jsou srážky černých děr nebo neutronových hvězd.
• Budoucnost: Plánují se ještě větší detektory, které nám umožní slyšet až na samý okraj pozorovatelného vesmíru.

Stoletá sázka na Einsteina

Všechno to začalo myšlenkou Alberta Einsteina. Předpověděl, že masivní objekty, jako jsou hvězdy nebo černé díry, svou gravitací zakřivují prostor a čas kolem sebe. Když se dva takové masivní objekty srazí, vytvoří nejen explozi světla, ale také vlny, které se šíří časoprostorem – gravitační vlny. Tyto vlny natahují a smršťují vše, čím projdou, včetně nás a planety Země. Problém byl, že tento efekt je tak nepatrný, že sám Einstein pochyboval, že ho kdy dokážeme změřit.

Pokusit se změřit změnu vzdálenosti 10 000krát menší než velikost protonu je jako sledovat vzdálenost k nejbližší hvězdě (vzdálené čtyři světelné roky) a zaznamenat změnu o šířku lidského vlasu. Většina fyziků to považovala za nemožné. Ale vědci se této výzvy nevzdali.

Jak funguje nejpřesnější pravítko světa?

Princip LIGO je v jádru geniálně jednoduchý. Jde o obří „L“, jehož každé rameno tvoří 4 kilometry dlouhý betonový tunel. Uvnitř se nachází potrubí s téměř dokonalým vakuem.

• Laserový paprsek: Na začátku je silný infračervený laser. Jeho paprsek se rozdělí na dva identické, které jsou vyslány do obou ramen.
• Odraz od zrcadel: Na konci každého ramene je jedno z nejdokonalejších zrcadel, jaké kdy bylo vyrobeno. Paprsky se od nich odrazí a putují zpět.
• Složení paprsků: Paprsky se znovu setkají v detektoru. Pokud jsou obě ramena naprosto stejně dlouhá, světelné vlny se navzájem vyruší a do detektoru nedopadne žádné světlo.
• Detekce vlny: Pokud ale prostorem projde gravitační vlna, jedno rameno nepatrně natáhne a druhé smrští. Dráha laserových paprsků se změní, jejich vlny se už dokonale nevyruší a detektor zaznamená slabý záblesk světla – signál.

Inženýrství na hranici reality

Postavit takový stroj znamenalo překonat neuvěřitelné technické překážky:

• Vakuum: Vnitřek potrubí obsahuje méně částic, než se nachází v prostoru, kterým letí Mezinárodní vesmírná stanice. I jediná molekula vzduchu by mohla experiment zničit.
• Zrcadla: Hlavní zrcadla váží 40 kg a jejich výroba trvala roky na čtyřech kontinentech. Jsou tak hladká, že pokud byste je zvětšili na velikost celé Země, největší nerovnost by nebyla vyšší než pár centimetrů. Odrazí 99,9999 % infračerveného světla.
• Laser: Použitý laser je neviditelný a extrémně silný. „Pokud by vás zasáhl do oka, ani byste nemrkli. Oslepil by vás a slyšeli byste praskání, jak vám v oku praskají cévy,“ varuje jeden z techniků. Díky opakovaným odrazům mezi zrcadly jeho výkon v ramenech naroste na 400 kilowattů – 80 milionkrát více než má běžné laserové ukazovátko.
• Izolace od vibrací: I projíždějící kamion nebo vlny v oceánu tisíce kilometrů daleko by mohly experiment narušit. Zrcadla jsou proto zavěšena na komplexním systému, který je 10 miliardkrát stabilnější než země, na které stojíme.

Deset let ticha a pak „cvrliknutí“

Po spuštění na začátku tisíciletí čekali vědci deset let. A neslyšeli nic. Detektor mlčel. Mnozí začali pochybovat. Tým se ale nevzdal a postavil vylepšenou verzi, Advanced LIGO.

V září 2015, jen tři dny po spuštění, se to stalo. Detektor zachytil jasný signál. Vypadal jako krátké „cvrliknutí“ (v angličtině „chirp“), jehož frekvence se rychle zvyšovala. Mohla to být náhoda? Projíždějící kamion? Nebo snad havrani klovající do zamrzlého potrubí, jak se skutečně stalo v roce 2018?

Proto existuje druhé, identické LIGO, vzdálené 3000 kilometrů. A tento druhý detektor zachytil naprosto stejný signál se zpožděním několika milisekund. Nebylo pochyb. Téměř přesně 100 let poté, co to Einstein předpověděl, lidstvo poprvé přímo detekovalo gravitační vlnu. Zdrojem byla srážka dvou černých děr 1,3 miliardy světelných let daleko.

Vesmír k nám promlouvá

Od té první detekce jsme jich zaznamenali téměř 300. Slyšeli jsme další srážky černých děr, které vytvářejí ještě větší. Byli jsme svědky kolizí neutronových hvězd, které nám prozradily, kde vzniká zlato a platina ve vesmíru. Změřili jsme rychlost gravitace a zpřesnili měření rozpínání vesmíru.

Vesmír k nám celou dobu promlouval a my jsme ho konečně začali slyšet. A to je teprve začátek. V Evropě se plánuje podzemní detektor ve tvaru trojúhelníku s 10km rameny. V USA se chystá projekt Cosmic Explorer s rameny dlouhými neuvěřitelných 40 km.

S těmito novými „ušima“ budeme schopni slyšet téměř až na okraj pozorovatelného vesmíru. Lidská vynalézavost je ohromující. Dali jsme sami sobě i všem budoucím generacím nový smysl. Otázkou teď je, co uslyšíme příště?