Chytání Einsteinových vln

Astronomové pozorují oblohu v podstatě stejným způsobem již téměř 400 let. Od té doby, co Galileo v roce 1609 obrátil své teleskopy na Měsíc, používají stále důmyslnější prostředky k detekci světla vyzařovaného vzdálenými objekty, shromažďující nejen viditelné světlo, ale rádiové vlny, rentgenové záření a další formy elektromagnetického záření. Ale některé z nejzajímavějších věcí ve vesmíru nám světlo do cesty neposílají.

Postgraduální studenti Alma Steingart a Brett Shapiro, vědec LIGO Rich Mittleman a profesor fyziky Nergis Mavalvala v laboratoři MIT LIGO.

Schopnost pozorovat vesmír pomocí něčeho jiného než světla by mohla zahájit novou éru astronomie – éru, o které se fyzici MIT domnívají, že nás brzy čeká. Jejich naděje závisí na detekci gravitačních vln, což je druh základního záření, které předpověděl Einstein v roce 1916, ale ještě nebylo přímo pozorováno. Věří, že analýza gravitačních vln poskytne bezprecedentní způsob, jak studovat aktivitu spirálních neutronových hvězd, černých děr a jader kolabujících hvězd.

Gravitační vlny nejen předpovídá Einsteinova teorie relativity, ale předpovědi jsou podpořeny nepřímými empirickými důkazy, jako jsou změny v drahách binárních neutronových hvězd, které vědci pozorovali po desetiletí. Než budou astronomové moci analyzovat gravitační vlny ze vzdálených objektů, experimentální fyzici musí vlny přímo detekovat.

Tým výzkumníků z MIT a Caltech nemůže této výzvě odolat. Společně provozují Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), který je financován National Science Foundation na místech ve státě Washington a Louisiana. LIGO, postavené v 90. letech 20. století, je založeno na návrzích vyvinutých v 70. letech 20. století Rainerem Weissem ‘55, PhD ‘62, který je nyní emeritním profesorem fyziky na MIT. Detekcí změn vzdálenosti mezi jemně kalibrovanými zrcadly měří přístroje LIGO drobná zkreslení ve struktuře časoprostoru. U první generace detektorů, která stála 230 milionů dolarů, byla pravděpodobnost detekce gravitační vlny nízká. Fyzici z LIGO si ale myslí, že nyní mají technologii, aby zahnuli za roh. S upgrady, které jsou v práci, doufají, že dosáhnou desetinásobného zvýšení citlivosti – věří, že stačí na to, aby do roku 2014 detekovaly gravitační vlny několikrát za měsíc.

Tito fyzici rádi řeší jeden z nejobtížnějších problémů přesného inženýrství na světě: měření vzdáleností menších než nejmenší atomová jádra. je to opravdu těžké. A to má obrovskou přitažlivost, říká Nergis Mavalvala, PhD ‘97, docent fyziky, který navrhuje vylepšené nástroje pro LIGO. Ale ještě více vzrušující než výzva je potenciální odměna. Fyzika gravitačních vln změní způsob, jakým vidíme vesmír, říká docent fyziky Erik Katsavounidis, který analyzuje data LIGO. V té třídě je málo věcí.

Od Newtona k Einsteinovi
Newton popsal gravitaci jako přitažlivou sílu mezi hmotami. Ale ani Newton byl nespokojený s tím, že nedokázal vysvětlit co příčiny gravitace. To bylo ponecháno na Einsteinovi, který vysvětlil, jak gravitace vzniká, tím, že popsal samotný prostor novým způsobem.

Před Einsteinem byl prostor považován za absolutní, existující mimo vliv mas pohybujících se v něm. Einstein pojal prostor jako tvárný a navrhl, že čas a prostor jsou součástí čtyřrozměrného systému. Hmoty jako slunce deformují strukturu časoprostoru a způsobují to, co fyzici nazývají zakřivení časoprostoru. Toto zakřivení ovlivňuje pohyb jiných hmot: jinými slovy, je to to, co zažíváme jako gravitaci.

Jak se masy zrychlují, Einstein navrhl, způsobují vlnění v časoprostoru jako vlny, které se šíří vodou v brázdě člunu. Tyto časoprostorové brázdy nazval gravitační vlny. Stejně jako světelné a zvukové vlny jsou popsány z hlediska frekvence a vlnové délky. V Newtonových rovnicích je gravitační síla vyvíjena okamžitě, což je aproximace, která krásně funguje pro většinu toho, co můžeme pozorovat. Gravitační vlny se ale šíří časoprostorem rychlostí světla. Jakákoli změna v gravitační síle vzdáleného objektu tedy potřebuje čas, než dosáhne Země, stejně jako jeho světlo. Tohle všechno chvíli trvá, než si to zabalíte do hlavy, přiznává Scott Hughes, odborný asistent fyziky.

Jak se gravitační vlny pohybují, natahují a stlačují časoprostor, říká Mavalvala. Pokud by vámi jeden prošel právě teď, mohl byste být o něco vyšší a o něco kratší; trochu širší, pak trochu tenčí. Podobně, pokud gravitační vlna prochází dvěma objekty, vzdálenost mezi nimi se mění. LIGO je navrženo k měření tohoto efektu.

Stává se, že věci, které bude LIGO dobře detekovat, jako jsou srážky černých děr s neutronovými hvězdami, nelze pomocí teleskopů dobře vidět. Ale i když jsou takové jevy zajímavé, skutečná hodnota jejich studia, říká Hughes, spočívá v tom, že nám umožní otestovat fyzikální zákony v oblastech vesmíru, které se velmi nepodobají našim vlastním.

Newtonovy zákony fungují dobře v naší sluneční soustavě, kde je gravitace slabá. Ale blízko černých děr, říká Rainer Weiss, vesmír tak silně gravituje, že už není plochý; je to svinuté samo do sebe hrozným způsobem. S LIGO, říká, uvidíme věci z oblastí ve vesmíru, kde je Einstein celý příběh. Newton, na kterého můžeš zapomenout. Fyzici doufají, že LIGO otevře to, co Hughes nazývá extrémní laboratoří. Měření gravitačních vln nám umožní nahlédnout do nejhlubší povahy prostoru a času, říká Edward Bertschinger, vedoucí fyzikálního oddělení MIT. Dokud je důkladně neprostudujeme, nerozumíme gravitaci.

Trvalo však dlouho, než fyzikální establishment uvěřil, že do technologií určených k měření gravitačních vln stojí za to investovat. Weiss, který strávil celou svou kariéru na MIT, sehrál důležitou roli v obratu.

Původ LIGO
Dokonce i Einstein uznal, že gravitační vlny by bylo obtížné, ne-li nemožné, měřit. Ačkoli věřil, že skutečně existují, ve třicátých letech začali fyzici považovat gravitační vlny za matematické kuriozity. A bez možnosti otestovat své představy o nich, sám Einstein ustoupil od svých dřívějších tvrzení.

V roce 1960 se ale muž, kterého Weiss nazývá odvážným a nápaditým oříškem, rozhodl zkusit změřit gravitační vlny. Joseph Weber, profesor na University of Maryland, sestrojil detektor, který fungoval něco jako kovová xylofonová tyč; ale místo toho, aby vibrovalo při úderu paličkou, vibrovalo by při úderu gravitačními vlnami. Weiss říká, že Weber viděl všechny druhy úžasných věcí a tvrdil, že zjistil, co Einstein předpověděl.

Problém byl v tom, že nikdo nemohl duplikovat jeho výsledky, ačkoli Weber, který zemřel v roce 2000, se jich držel. Weiss říká, že opatrnější fyzik by byl ke svým vlastním závěrům skeptičtější; spekuluje, že Weberovy stroje mohly detekovat takové věci, jako jsou údery blesku nebo problematické telefonní linky, ale Weber nezkoumal jiná možná vysvětlení svých dat. Bez nezávislého potvrzení Weberových vln se pole dostalo do hrozného stavu, říká Weiss.

Weiss, neméně nápaditý než Weber, se také zajímal o gravitaci z experimentální perspektivy. V 50. letech minulého století opustil MIT, ale další šanci dostal od legendárního profesora fyziky Jerrolda Zachariase, který ho najal, aby pracoval v jeho laboratoři. Po získání doktorátu na MIT strávil Weiss čas na Princetonské univerzitě v laboratoři Roberta Dickeho, předního odborníka na gravitaci.

Brzy poté, co se vrátil na MIT jako profesor, byl Weiss pověřen, aby vyučoval kurz relativity na postgraduální úrovni. Bylo jaro 1966 a Weberův detektor byl v provozu. Weiss vzpomíná, že jsem nerozuměl tomu, co Weber dělá, a tak se rozhodl vysvětlit gravitační vlny svým studentům tím, že vymyslel nejjednodušší vysvětlení toho, jak byste mohli takové vlny detekovat, jaké jsem si dokázal představit. Jeho myšlenkou bylo použít interferometr, konfiguraci ve tvaru L se stejně rozmístěnými zrcátky, která využívá laserové světlo k přesnému měření vzdálenosti. Když gravitační vlny míjejí objekty, natahují a stlačují časoprostor takovým způsobem, že se mění vzdálenosti mezi těmito objekty. Čím větší je počáteční vzdálenost mezi dvěma objekty, tím větší je změna. Čím větší je změna, tím snazší je měřit.

Během několika příštích let Weiss vyvinul prototypy pro to, co se stalo LIGO. Výzkumníci z Caltechu, stejně jako financi z National Science Foundation, stáli za jeho plány dříve, než administrativa MIT; Institut se zdráhal věnovat peníze na něco, co vypadalo jako riskantní návrh. Ale jakmile byla zahájena spolupráce Weisse s Kipem Thornem a Ronaldem Dreverem z Caltechu a bylo zajištěno financování, MIT se zapojilo.

Dnešní LIGO je sada obrovských interferometrů, z nichž dva mají ramena dlouhá čtyři kilometry a třetí ramena dva kilometry. Spíše jako ucho než oko, LIGO zachytí všechny vlny, které slyší, bez ohledu na to, odkud přicházejí. Weiss však doufá, že tato technologie poslouží jako nový druh dalekohledu.

V rohu každého L je zrcadlo, které rozděluje paprsek laserového světla na dva a posílá jeden paprsek po každém rameni přes vakuově utěsněné trubky z nerezové oceli do zrcadla na konci. Zrcadla odrážejí paprsky zpět do rohu, kde se rekombinují a vytvářejí interferenční obrazec jasných a tmavých bodů. Tento vzorec zůstává stejný, dokud se nic nehýbe. Ale pokud gravitační vlna prochází interferometrem, nenápadně stlačuje a roztahuje prostor, tlačí zrcadla tak, že se vzor změní.

To zní dost jednoduše. Ale dostat hluk ze systému je neuvěřitelně složité. Všechno ostatní na planetě může pohybovat zrcadly více než gravitační vlny, říká Mavalvala s velmi malou nadsázkou. Odškrtává krátký seznam jevů, které mohou LIGO narušit: pohyby tektonických desek, vlny oceánu, silniční doprava, metro, dokonce i jen aktivita lidí pohybujících se kolem. Ani při výrobě mikroprocesorů s velmi drobnými funkcemi nemusí být věci drženy téměř tak nehybně jako v detektorech LIGO. Pouze vizionář se může podívat na technické požadavky LIGO a být neochvějný, říká Bertschinger.

Vědci LIGO analyzují data z prvního plného provozu detektorů od listopadu 2005 do října 2007. Naprostý objem dat – detektory vygenerované asi gigabajt za den – představuje obrovskou výpočetní výzvu. Ještě obtížnější je rozhodnout, jak určit, kdy byla gravitační vlna detekována mimo jakoukoli rozumnou pochybnost. Vzhledem k Weberovu odkazu, říká Erik Katsavounidis, si chceme být jistí.

Vědci se domnívají, že současná technologie LIGO by měla být schopna detekovat násilné kosmické události, jako jsou supernovy, pokud nejsou příliš daleko. Pro naši galaxii máme dobrou citlivost, říká Katsavounidis. Supernovy jsou však vzácné; předpokládá se, že se vyskytují v dosahu LIGO přibližně jednou za 30 let. Dokud LIGO neuvidí dál, říká, že nejlepší potenciální zdroje detekovatelných gravitačních vln mohou být objekty, o kterých astrofyzici ještě ani nevědí.

Další generace
Pomocí největšího systému ultravysokého vakua na Zemi dokáže LIGO detekovat posunutí zrcadel o velikosti 10 až 18 metrů – tisícinu velikosti jádra nejmenšího atomu. Tato citlivost se přibližně do roka zdvojnásobí díky vylepšením, která Mavalvala přirovnává k umístění turbomotoru do auta. A tým LIGO plánuje úplně vyměnit původní detektory. Nová sada detektorů, vytvořená pro projekt nazvaný Advanced LIGO, bude 10krát citlivější a tisíckrát zvětší objem pozorovatelného prostoru.

V jasně osvětlené laboratoři týmu LIGO hangárových rozměrů na západní straně areálu MIT Mavalvala schovala hlavu s baseballovou čepicí pod jednu ze dvou 15metrových trubek z nerezové oceli. Zkumavky se spojují do tvaru L a tvoří menší repliku interferometrů v Louisianě a Washingtonu. Nedaleko je na vyvýšené ocelové plošině zabalené v plastové fólii zařízení, které, jak se zdá, bylo zkonstruováno z obří sady Erector. Mavalvala vysvětluje, jak Advanced LIGO zajistí, že platformy, na kterých jsou zrcadla zavěšena, zůstanou velmi, velmi nehybné.

Když je zařízení v chodu, akcelerometry na plošinách detekují pohyb a motory jej korigují pohybem plošiny v opačném směru. Každé zrcadlo bude viset ze své plošiny na drátě držícím kovové a skleněné závaží. Výsledné kyvadlo má vlastní frekvenci nižší než gravitační vlny. Když se platforma rychle otřese seismickým hlukem, kyvadla budou tlumit pohyb zrcadel, což zajistí, že drobné pohyby způsobené gravitačními vlnami nebudou maskovány.

Tato vylepšení zlepší citlivost LIGO na nízkofrekvenční gravitační vlny. Ale při měření posunů mnohem menších než atom se výzkumníci musí také potýkat s různými zdroji hluku, které omezují citlivost v jiných rozsazích. Ve středním rozsahu je LIGO omezeno tepelným pohybem: atomy při teplotách nad absolutní nulou se tlačí kolem. Atomy kovu v drátech zavěšených na zrcadlech LIGO tedy vnášejí do systému šum. Pokročilé LIGO bude používat speciálně vyrobená vlákna z holého skla, méně ztrátový materiál: atomy se pohybují méně a jejich pohyb se přenáší do zrcadla.

Při vyšších frekvencích jsou problémem kvantové vlastnosti světla. Když provádíte měření se světlem, říká Mavalvala, musíte se vypořádat s vlastnostmi šumu samotného světla. Větší výkon laseru znamená lepší poměr signálu k šumu: Laser Advanced LIGO bude mít 20krát vyšší výkon než ten současný.

S těmito vylepšeními bychom měli něco vidět jednou týdně, říká David Shoemaker, SM ‘80, hlavní vědecký pracovník MIT, který vede Advanced LIGO. Pokud nic nevidíme, je s obecnou relativitou něco špatně.

Když je poprvé detekována gravitační vlna, všichni uspořádají bouřlivý večírek, říká Scott Hughes. Poté, co kocovina skončí, řekneme: ‚Dobře, co teď budeme dělat?‘

Vytvořením počítačových modelů objektů, jako jsou černé díry, se Hughes snaží přijít na to, jak využít gravitační vlny k astronomii. Protože z černých děr neuniká žádné světlo, fyzici je viděli pouze nepřímo – řekněme detekcí rentgenového záření, které hvězdy vyzařují, když jsou vtaženy dovnitř. Ale když černé díry něco sežerou, říká Weiss, vydávají velmi spokojené říhnutí – gravitační vlnu. Vzhledem k tomu, jak obecná teorie relativity popisuje věci, s ohledem na detektory, jak jsme je navrhli, říká Hughes, jak přesně mohu dělat věci, jako je měření hmotnosti a rotace černé díry?

Fyzici, kteří si kladou takové otázky, vystupují do neznáma a nemohou předvídat vše, co by se mohli naučit. Ale, říká Bertschinger, chci, aby MIT bylo součástí této éry – abych se účastnil svátku vědy, který přijde.

skrýt