První zachycení gravitačních vln předpovězených v obecné teorii relativity Alberta Einsteina bylo zřejmě největší vědeckou událostí minulého roku. Přímo neuvěřitelně přesné aparatury nám otevřely nové možnosti, jak pozorovat svět kolem nás. V prvních třech případech se například podařilo zachytit vlny vyslané při srážce dvou černých děr - a to jsou objekty, které pro nás do této doby byly „němé“. Dokázali jsme zaznamenat jen jejich vliv na okolní vesmír (třeba jak ohýbají světlo prolétající v jejich blízkosti), jejich samotné projevy až do loňska ne.
Jak měřit na tisícinu protonuDetektory experimentu LIGO a velmi podobný evropský Virgo jsou jedním z nejkomplikovanějších a nejnáročnějších fyzikálních experimentů vůbec. Co ale vlastně měří a jak? Vysvětlovali jsme v loňském článku. |
Teď se zřejmě detektorům gravitačních vln - americkému „dvojexperimentu“ LIGO a evropskému Virgo - podařilo dosáhnout dalšího astronomického milníku. Údajně se poprvé podařilo přímo zaznamenat stejnou událost jak pomocí gravitačních vln, tak běžných teleskopů. Alespoň pokud tedy můžeme věřit šeptandě; která se ovšem už jednou v případě LIGO ukázala přesná, protože zvěsti o prvním úspěchu detektoru unikly na veřejnost předčasně.
Vše začíná na Twitteru
Vše začalo 18. srpna, kdy astronom Craig Wheeler z Texaské univerzity v Austinu na Twitteru napsal celkem jednoznačně, že detektoru LIGO se podařilo zachytit nový signál. Navíc se podle něj stejný jev podařilo zachytit i ve viditelném spektru. Pozorování vám volně přeloženo „vyrazí dech“ (doslovný překlad použitého anglického idiomu ovšem zní, že „vám sfoukne ponožky“).
New LIGO. Source with optical counterpart. Blow your sox off!
O hodinu později pak další astronom Peter Yoachim z univerzity státu Washington v Seattlu na Twitteru napsal, že podle kuloárních informací LIGO pozoroval událost v galaxii NGC 4933, která leží zhruba 130 milionů světelných let od Země a je součástí souhvězdí Hydry. A pak dodal, že podle prvních odhadů nejde tentokrát o srážku dvou černých děr, jako v předchozích třech případech zachycení gravitačních vln, ale spíše o srážku dvou neutronových hvězd. (Tyto události vytvářejí gravitační vlny s odlišným průběhem, a tak je od sebe lze na údajích z detektoru odlišit - hlavně tím, že splynutí neutronových hvězd trvá déle než dvou černých děr. Neutronové hvězdy mají menší hmotnost, a tak déle trvá, než se jejich oběžné dráhy zhroutí a „spadnou do sebe“. Vlna tak má jiný průběh.)
Vedení experimentů LIGO či Virgo nechtělo v té době zvěsti komentovat. Záznamy z detektorů LIGO nejsou samozřejmě veřejné, takže z těch nejdůvěryhodnějších zdrojů pověsti nelze jednoznačně potvrdit. Veřejné jsou ovšem záznamy o činnosti velkých teleskopů, jako je například Hubbleův vesmírný teleskop. Tým z gravitačních experimentů spolupracuje s astronomy, kteří jsou připraveni události co nejrychleji zaměřit, aby se pokusili zachytit jejich viditelné „dozvuky“ - to je zaběhnutý systém, který se používá i u dalších astronomických zařízení na detekci záření gama. Jak něco slibného zachytí, ozvou se fyzikové astronomům, a ti spěchají „své“ teleskopy zaměřit na správné místo.
Přesně to se evidentně po 17. srpnu stalo. Například záznamy Hubblova teleskopu ukazují, že se skutečně zaměřil právě na tu část oblohy, na které leží zmíněná galaxie NGC 4933. Přidala se k němu například i družice Chandra, která sleduje vesmír v rentgenovém spektru. V této části oblohy se zřejmě skutečně dělo něco zajímavého.
Pohled na jedno z ramen experimentu LIGO ve státě Washington
Samozřejmě nevíme, co přesně teleskopy zjistily a jak zajímavé výsledky z toho budou. Detektor LIGO tvoří dvě nezávislá zařízení, která leží přes tisíc kilometrů od sebe, a tak do jisté míry dokážou zjistit, odkud signál přišel (podle toho, na které stanici byl dřív). Ovšem přesnost v tomto případě není nijak závratná - teleskopy pořád musí prohledat hodně velkou část oblohy. Ovšem k LIGO se letos v srpnu přidal i evropský experiment Virgo, a tak je možné, že už signál zachytily tři stanice. To by výrazně zlepšilo přesnost a šance astronomů na rychlé zachycení stop události.
Spekulaci potvrzuje i krátké oznámení, které se objevilo na stránkách experimentu LIGO 25. srpna, nejspíše právě v reakci na vlnu spekulací. Podle textu právě v ten den skončilo „vzrušující společné pozorování detektorů LIGO a Virgo“. Dále potvrzuje, že do práce se zapojili i astronomové mimo tým, o povaze samotného pozorovaného objektu ovšem nic neprozrazuje. Více informací sdělí, „jak budou vědět něco nového“.
Co to bylo?
My ovšem o pozorovaném objektu nějaké - byť neověřené - informace už máme. V záznamech třeba Hubbleova teleskopu totiž bylo uvedeno místo, odkud k nám připutoval silný paprsek gama záření s pořadovým číslem GRB170817A. Šlo o tzv. gama záblesk, což je astronomický jev, který v posledních desetiletích představoval jednu z nejzajímavějších astronomických záhad.
Jde o události gigantických měřítek, které se ovšem dějí daleko od nás. Jako kdyby se na chvíli (desítky sekund, maximálně i hodiny) zapnulo světlo, které pošle gama napříč velkou částí pozorovatelného vesmíru. Záblesk tak může mít stejně energie, kolik Slunce vyzáří za deset miliard svého života.
Gama záblesky objevily americké vojenské družice určené ke sledování dodržování smluv o moratoriu na jaderné výbuchy. Jejich existence byla naprostým překvapením a americké vojenské síly se tehdy pečlivě ujišťovaly, že nejde o signály nějakých pokusných jaderných výbuchů. Naštěstí se jasně ukázalo, že nejde o události pozemského původu, a tak vojáci záznamy předali v roce 1973 astronomům, kteří pak jejich vysvětlováním (a sháněním důkazů o správnosti vysvětlení) strávili několik desítek let.
Výzkum v této oblasti asi ještě není zcela uzavřený, ale v podstatě dnes existují poměrně dobré astronomické důkazy o tom, že gama záblesky vznikají v důsledku dramatických událostí u velkých objektů. Ty nejsilnější tak nejspíše vznikají ve chvíli, kdy se obří supernovy či hypernovy zhroutí do menšího, kompaktnějšího objektu (neutronové hvězdy či černé díry). A jiné, takzvané krátké gama záblesky, zřejmě vznikají při... ano, asi jste uhodli, při srážkách neutronových hvězd.
Nevíme to dodnes jistě, protože byť jsou neutronové hvězdy extrémně hmotné a husté objekty, pozorovat je lze jen těžko - nijak výrazně nezáří. My tedy dokážeme pozorovat záblesk a jeho tzv. dosvit v jiných částech spektra. Ale pokud jejich zdrojem skutečně byly neutronové hvězdy, tak ty jsou pro nás až do záblesku těžko pozorovatelné.
Záběr z instalace nového laseru do experimentu LIGO během jeho modernizace na Advanced LIGO
Pozorování v oboru gravitačních vln snad díry v našem poznání dokáže zaplnit. Nedokážeme v něm neutronové hvězdy pozorovat jindy než během samotné srážky - jen během ní se pohybují dost rychle, aby vznikly dostatečně silné vlny. Ale mohlo by podle spekulací astronomů prozradit například více o tom, jak vypadá vnitřek neutronových hvězd (o tom nevíme prakticky nic, než co říkají hypotézy), a případně snad i o tom, jaký objekt během srážky vznikne (jiné neutronová hvězda, černá díra?). A možná bychom se tak mohli dozvědět mimo jiné i to, odkud pochází většina pozemského zlata.
Kdo nás obohatil?
Srážky neutronových hvězd totiž vedou mimo jiné ke vzniku zlata a dalších prvků těžších než železo. Uvolní se při nich v krátké době tolik volných neutronů, že těžší atomy ve svrchních vrstvách hvězdy (a takové tam jsou) jsou jimi doslova zaplaveny. Do jejich jader naráží tolik neutronů, že se „přebytečných“ neutronů nestačí zbavovat a v krátké době velmi rychle „ztěžknou“. V této „neutronové lázni“ (tzv. r-procesu) vznikají i jádra extrémně těžkých prvků, výrazně těžších než uran.
Postupně se rozpadají na stabilnější atomy, ale jen do určité míry: třeba právě zlato už je stabilní a žádný rozpad se nekoná. Protože svrchní vrstvy hvězdy, kde k této transmutaci dochází, jsou během srážky „odfouknuty“, zlato se spolu s dalšími těžkými prvky šíří do okolí. Časem se pak může stát součástí zárodečného prachového mračna jiné soustavy. Zní to jako velmi neefektivní proces, ale právě během tohoto r-procesu vzniklo například právě všechno pozemské zlato (a některé další těžké prvky).
Astronomové ovšem stále nemají jasno v tom, jaké jsou přesně zdroje většiny těchto těžkých prvků. Víme, že kromě srážek neutronových hvězd jsou jejich zdrojem i výbuchy supernov. Ale kdo nám do „kasičky“ přispěl více - neutronové hvězdy, nebo supernovy? Favoritem v tomto ohledu byly supernovy, vylepšování teoretických modelů v posledních desetiletích ovšem naznačuje, že význam neutronových hvězd byl podceňován a většina zlata v naší galaxii vznikla právě díky nim. Gravitační „teleskopy“ by časem snad mohly tuto domněnku pomoci potvrdit, či vyvrátit. Chleba tedy levnější nejspíše nebude, jen možná zlato bude ještě cennější, až budeme přesně vědět, odkud k nám doputovalo.
