Ve většině případů není zjišťování dopadů gravitace tak těžké. Parašutisté spěchají k zemi v okamžiku, kdy vystoupí z letadla, a díky kosmickým dalekohledům můžete vidět masivní seskupení galaxií, jak se ohýbá do ohromujících prstenů. Ukázalo se však, že je těžké odhalit gravitační vlny, vlnky v časoprostoru vyvolané silnou kosmickou událostí.
Související obsah
- Tyto kosmické útoky zahrnují obličej galaktického smajlíka a mezihvězdnou růži
- Ne, nezjistili jsme gravitační vlny (zatím)
Většina pokusů dosud hledala způsob, jakým se očekává, že vlnky prostoru a času ovlivní světlo a hmotu. Nyní si vědci v USA a Izraeli myslí, že bychom mohli najít vlny rychleji a levněji, pokud budeme hledat jejich účinky na čas místo na prostor.
Hledání gravitačních vln probíhá od roku 1916, kdy Albert Einstein předpověděl, že by měly existovat jako součást jeho obecné teorie relativity. Učinil případ, že časoprostor je jako látka, a to, co my cítíme jako gravitaci, je zakřivení této látky způsobené masivními předměty. Jako například bowlingová koule zavěšená v přikrývce, například naše masivní planeta Země zakrývá časoprostor kolem ní.
Teorie také naznačuje, že když se spojí velmi masivní objekty, jako jsou černé díry, gravitační výbuch pošle vlnky šířící se ven v časoprostoru. Jejich detekce by nejen pokračovala v ověřování Einsteinovy teorie, ale otevírala by se nové okno ve vesmíru, protože vědci by mohli pomocí gravitačních vln zkoumat jinak neviditelné události napříč vesmírem. Důkaz gravitačních vln byl však nepolapitelný, z velké části proto, že vlny dál zesílily, čím dál silnější, a mnoho gravitačních vlnových zdrojů se nachází na okraji vesmíru, miliardy světelných let daleko.
V loňském roce experiment s názvem BICEP2 prohlásil, že detekoval slabé signály spojené s typem pravěké gravitační vlny, které byly produkovány náhlým růstem v raném vesmíru. Toto tvrzení bylo však předčasné, protože pozdější analýzy snížily důvěru, že tým BICEP2 viděl v Mléčné dráze něco víc než vířící prach.
Plánovaná observatoř eLISA Evropské kosmické agentury, která má být spuštěna v roce 2034, je navržena tak, aby odhalila jiný druh vln: milithertzové nebo nízkofrekvenční gravitační vlny generované sloučením supermasivních párů černých děr. Vědci objevili supermasivní černé díry v centrech mnoha velkých galaxií, včetně těch našich. Předpovídá se, že koalescence dvou takových galaxií bude emitovat gravitační vlny, které se mohou šířit vesmírem. K jejich nalezení použije eLISA lasery k měření nepatrných změn v rozestupu vesmírné flotily, ke kterým by mělo dojít, když gravitační vlna projde kolem.
V novém příspěvku Avi Loeb z Harvard-Smithsonianova centra pro astrofyziku a Dani Maoz na Tel Avivské univerzitě poukazují na to, že nedávný pokrok v měření času by mohl atomovým hodinám umožnit detekovat gravitační vlny rychleji a levněji než eLISA. Nastiňují návrh na řadu atomových hodin rozmístěných na různých místech kolem Slunce, které by mohly odhalit jev nazývaný časová dilatace, kdy gravitační účinky mohou způsobit zpomalení času.
Stejně jako eLISA, i jejich plán vyžaduje létání kosmických lodí ve formaci a komunikaci pomocí laserů. Ale místo předávání informací o změnách ve vzdálenosti budou lasery sledovat malé rozdíly v časování mezi synchronizovanými atomovými hodinami instalovanými na lodi.
Předvídané časové změny jsou nepatrné: „Mluvíme o přesnosti načasování v jedné části milionu bilionů, “ říká Loeb. "K detekci takovéto změny potřebujete hodiny, které nezískají ani neztratí jen jednu desetinu sekundy, i kdyby měly fungovat po dobu 4, 5 miliardy let, nebo celý věk Země."
Až donedávna tento druh přesnosti přesahoval schopnost atomových hodin, které používají prvek cesium, které jsou základem současného mezinárodního standardu měření času. Počátkem roku 2014 však fyzici z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) odhalili experimentální atomové hodiny „optické mříže“, které stanovily nové světové rekordy pro přesnost i stabilitu. Tyto hodiny pracují na optických frekvencích, a proto poskytují větší přesnost než atomové hodiny cesia, které se spoléhají na mikrovlnné trouby, aby udržely čas.
Teoreticky mohou optické atomové hodiny poskytovat přesnost nezbytnou k detekci malých časových posunů předvídaných z gravitačních vln. Loeb a Maoz tvrdí, že jejich konstrukce by byla jednodušší a bylo by možné ji dosáhnout za nižší cenu, protože by vyžadovalo méně výkonné lasery než eLISA. Atomové hodiny s nižší přesností se již používají na satelitech GPS, takže Loeb si myslí, že by mělo být možné poslat novou generaci atomových hodin do vesmíru.
Dvě kosmické lodi umístěné ve správné vzdálenosti od sebe mohly cítit jak vrchol, tak koryto procházející gravitační vlny. (Loeb et al., Arxiv.org) Nejlepší nastavení by bylo pár atomových hodin instalovaných na kosmické lodi s kosmickou lodí, které sdílejí oběžné dráhy Země kolem Slunce. Hlavní kosmická loď by také byla na oběžné dráze, aby koordinovala signály přicházející z hodin. Plavidlo s hodinami by mělo být odděleno asi 93 miliony mil - zhruba vzdálenost mezi Zemí a sluncem nebo jednou astronomickou jednotkou (AU).
"To je pěkná náhoda, protože jedna AU se náhodou zhruba rovná polovině vlnové délky pro [nízkofrekvenční] gravitační vlnu, jako si druzí vědci myslí, že sloučení superhmotných černých děr vyzařuje, " říká Loeb. Jinými slovy, to by byla přesně ta správná vzdálenost, aby se zachytil jak vrchol, tak koryto gravitační vlny procházející sluneční soustavou, takže atomové hodiny umístěné v těchto dvou bodech by zažily největší časové dilatační účinky.
Prozatím taková mise není na žádném pracovním stole nebo návrhu rozpočtu vesmírné agentury. Loeb ale doufá, že tento nápad spustí pečlivější studii alternativ eLISA. Projekt eLISA „měl prospěch z desetiletí diskuse, takže bychom měli dovolit, aby byl tento alternativní design zkoumán alespoň několik měsíců před jeho zamítnutím.“
Loeb dodává, že existuje mnoho praktických aplikací, které mají přesnější atomové hodiny ve vesmíru, jako je lepší přesnost GPS a lepší komunikace. Myslí si, že první optické hodiny mřížky by mohly být spuštěny podniky spíše pro komerční účely než vládními agenturami. "Pokud se to stane, jakákoli věda, kterou z toho dostaneme, by byl vedlejší produkt, " říká.
Jun Ye, fyzik z University of Colorado a kolega NIST, říká, že návrh Loeba a Maoza „otevírá novou intelektuální frontu“ o používání optických atomových hodin k testování základní fyziky, včetně hledání gravitačních vln. "Jsem optimistický ohledně dalšího zlepšování optických hodin a jejich případného použití v takových aplikacích, " říká Ye.
