Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nově objevené gravitační vlny mají být zdaleka nejsilnější, jaké kdy byly zaznamenány: Přinášejí zhruba milionkrát více energie než jednorázové záblesky gravitačních vln ze splynutí černých děr a neutronových hvězd, které byly dosud detekovány experimenty jako LIGO a Virgo.
Vědci ze Severoamerické observatoře pro gravitační vlny (Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, NANOGrav) a dalších institucí to tvrdí na základě sledování pulsarů. „Jedná se o vůbec první důkaz gravitačního vlnového pozadí. Otevřeli jsme nové okno pro pozorování vesmíru,“ uvádí spoluautorka studie Chiara Mingarelli (Flatiron Institute/Yale University). Většinu gigantických gravitačních vln pravděpodobně produkují dvojice supermasivních černých děr, které spirálovitě směřují ke kataklyzmatickým srážkám,
O existenci gravitačního vlnového pozadí se spekuluje již delší dobu. NANOGrav je prozatím dokáže změřit jen jako celek, nikoliv ho přiřadit jednotlivých zdrojům (=zřejmě různým dvojicím černých děr). „Pozadí gravitačních vln je asi dvakrát hlasitější, než jsme očekávali,“ dodává Ch. Mingarelli. Je to na horní hranici toho, co by dokázaly vytvořit superhmotné černé díry uprostřed většiny galaxií. Mohou být tedy těžší/početnější, než se (v průměru) předpokládalo, může je také generovat něco jiného, například mechanismy předpovězené teorií strun nebo různá vysvětlení zrodu vesmíru (k tomu viz dále).
Na rozdíl od vysokofrekvenčních vln detekovaných pozemskými přístroji, jako jsou LIGO a Virgo, je pozadí gravitačních vln tvořeno vlnami o velmi nízké frekvenci. Jediný vzestup a pokles jedné z vln může trvat roky nebo dokonce desetiletí. Vzhledem k tomu, že gravitační vlny se šíří rychlostí světla, může být jedna vlna dlouhá desítky světelných let.
Žádný experiment na Zemi by nedokázal detekovat tak obrovské vlny, proto bylo nutné provést sledování právě pomocí pulsarů. Když gravitační vlna projde mezi námi a pulsarem, naruší časování rádiových vln, jejichž pravidelné vzor je jinak dán prostě rotací pulsaru (gravitační vlny roztahují a stlačují prostor a mění tak vzdálenost, kterou musí rádiové vlny urazit).
Celá otázka má vztah i k modelům toho, jak se chovají binární superhmotné černé díry při spojování galaxií. Začnou obíhat jedna kolem druhé a přibližují se sobě, protože systému odebírají energii plyn a hvězdy procházející mezi oběma černými dírami. Podle jedné teorie se při přibližování mohou černé díry zastavit zhruba ve vzdálenosti parseku, protože odebírání energie ze systému ustane (tzv. model close-but-no-cigar). Pokud by to platilo, pak by ke srážce docházelo pouze výjimečně (mj. třeba při fúzi s další galaxií a vstupem třetí černé díry do systému). Černé díry by však mohly vyzařovat energii i v podobě gravitačních vln, pak by jejich splynutí v poměrně rychlém časovém měřítku (miliony let) nemělo nic bránit. Tato otázka se označuje jako problém posledního parseku. Zdá se, že existence gravitačního vlnového pozadí, které objevil NANOGrav, upřednostňuje druhou z uvedených možností.
A z druhé strany: Jelikož páry supermasivních černých děr vznikají v důsledku splynutí galaxií, množství jejich gravitačních vln pomůže kosmologům odhadnout, jak často se galaxie v historii vesmíru srážely. V pozorovatelném vesmíru mohou být stovky tisíc nebo možná i o řád více dvojic superhmotných černých děr.
Ne všechny gravitační vlny detekované systémem NANOGrav však nutně pocházejí z párů supermasivních černých děr. Jiné teoretické návrhy také předpovídají vlny v oblasti velmi nízkých frekvencí. Teorie strun například předpovídá, že v raném vesmíru mohly vzniknout jednorozměrné defekty, tzv. kosmické struny. Tyto struny by mohly rozptylovat energii vysíláním gravitačních vln. Pokud by velký třesk byl ve skutečnosti velkým odrazem (Big Bounce), kdy se předchůdce vesmíru předtím zhroutil sám do sebe, gravitační vlny z této události by též mohly být stále přítomné.
Jenže všechny tyhle úvahy stojí na tom, nakolik pulsary představují dokonalý detektor gravitačních vln. Výsledky NANOGravu mohou být nějak zkresleny, je třeba další sledování pulsarů. Autoři studie plánují rozdělit pozadí na základě frekvence vln a jejich původu na obloze. Na otázce pracují i další skupiny/projekty/dalekohledy. Jednotlivé skupiny se snaží spojovat svá data prostřednictvím konsorcia International Pulsar Timing Array.
The NANOGrav 15-year Data Set: Evidence for a Gravitational-Wave Background, The Astrophysical Journal Letters (2023). DOI: 10.3847/2041-8213/acdac6
Zdroj: tisková zpráva Simons Foundation / Phys.org, přeloženo/kráceno
