V únoru 2016 vědci pracující pro gravitační vlnovou observatoř s laserovým interferometrem (LIGO) vytvořili historii, když oznámili vůbec první detekci gravitačních vln. Od té doby došlo k několika detekcím a vědecké spolupráce mezi observatořími - jako Advanced LIGO a Advanced Virgo - umožňují bezprecedentní úroveň citlivosti a sdílení dat.
Nejen, že se poprvé objevila gravitační vlna historickým úspěchem, ale také zrodila novou éru astrofyziky. Není tedy divu, proč tři vědci, kteří byli v centru první detekce, získali Nobelovu cenu za fyziku za rok 2017. Cena byla udělena společně profesorům Caltech profesorům Kip S. Barishovi a profesorovi emeritů MIT Rainerovi Weissovi.
Zjednodušeně řečeno, gravitační vlny jsou vlnky v časoprostoru, které jsou tvořeny hlavními astronomickými událostmi - například sloučením dvojice binárních černých děr. Poprvé je předpovídal před více než stoletím Einsteinova teorie obecné relativity, která naznačovala, že masivní poruchy by změnily strukturu časoprostoru. Teprve nedávno však byly pozorovány důkazy o těchto vlnách.
První signál byl detekován dvojčaty observatoří LIGO - v Hanfordu, Washingtonu a Livingstonu v Louisianě - a sledoval fúzi černých krtek ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let. K dnešnímu dni byly provedeny čtyři detekce, z nichž všechny byly způsobeny sloučením párů černých děr. Tyto akce se uskutečnily 26. prosince 2015, 4. ledna 2017 a 14. srpna 2017, přičemž poslední byl detekován pomocí LIGO a detektoru gravitačních vln Evropské Panny.
Za roli, kterou v tomto úspěchu hráli, byla polovina ceny udělena společně Caltechovi Barrymu C. Barishovi - profesoru fyziky Ronalda a Maxine Linde, Emeritus - a Kipu S. Thornovi, profesorovi teoretické fyziky Richard P. Feynman. , Emeritus. Druhá polovina byla oceněna Rainerem Weissem, profesorem fyziky, Emeritus, na Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Jak uvedl prezident Caltech Thomas F. Rosenbaum - prezidentský předseda Sonja a William Davidow a profesor fyziky, uvedl v nedávném prohlášení společnosti Caltech v tisku:
"Jsem potěšen a poctěn, že mohu poblahopřát Kipovi a Barrymu a Rai Weissovi z MIT k ocenění dnes dopoledne na Nobelově ceně za fyziku za rok 2017." Prvním přímým pozorováním gravitačních vln pomocí LIGO je mimořádná demonstrace vědecké vize a vytrvalosti. Prostřednictvím čtyř desetiletí vývoje dokonale citlivého přístrojového vybavení - tlačícího kapacitu naší představivosti - jsme nyní schopni zahlédnout kosmické procesy, které byly dříve nezjistitelné. Je to opravdu začátek nové éry astrofyziky. “
Tento úspěch byl o to působivější, že Albert Einstein, který poprvé předpověděl jejich existenci, věřil, že gravitační vlny budou příliš slabé na studium. Avšak šedesátá léta, pokroky v laserové technologii a nové pohledy na možné astrofyzikální zdroje vedly vědce k závěru, že tyto vlny mohou být ve skutečnosti detekovatelné.
První detektory gravitační vlny byly postaveny Josephem Weberem, astrofyzikem z University of Maryland. Jeho detektory, které byly postaveny v šedesátých letech, sestávaly z velkých hliníkových válců, které by byly poháněny vibracemi procházením gravitačními vlnami. Následovaly další pokusy, ale všechny se ukázaly jako neúspěšné; vyvolání posunu k novému typu detektoru zahrnující interferometrii.
Jeden takový nástroj vyvinul Weiss na MIT, který se spoléhal na techniku známou jako laserová interferometrie. U tohoto druhu přístroje se gravitační vlny měří pomocí široce rozložených a oddělených zrcadel, která odrážejí lasery na velké vzdálenosti. Když gravitační vlny způsobí, že se prostor natáhne a stlačí o nekonečné množství, způsobí to, že se odražené světlo uvnitř detektoru posunuje nepatrně.
Zároveň Thorne - spolu se svými studenty a postdoktory v Caltechu - začal pracovat na zdokonalení teorie gravitačních vln. To zahrnovalo nové odhady síly a frekvence vln produkovaných objekty, jako jsou černé díry, neutronové hvězdy a supernovy. To vyvrcholilo dokumentem z roku 1972, který Throne společně vydal se svým studentem Billem Pressem, který shrnul jejich vizi o tom, jak lze gravitační vlny studovat.
Téhož roku Weiss také zveřejnil podrobnou analýzu interferometrů a jejich potenciál pro astrofyzikální výzkum. V tomto příspěvku uvedl, že operace ve větším měřítku - měřící několik km nebo více - mohou mít šanci odhalit gravitační vlny. Také identifikoval hlavní výzvy k detekci (jako jsou vibrace ze Země) a navrhl možná řešení pro jejich řešení.
V roce 1975 Weiss pozval Thorne, aby promluvil na schůzi výboru NASA ve Washingtonu, D.C. a oba strávili celou noc mluvením o gravitačních experimentech. V důsledku jejich rozhovoru se Thorne vrátil do Caltehu a navrhl vytvoření experimentální gravitační skupiny, která by pracovala na interferometrech paralelně s výzkumníky na MIT, University of Glasgow a University of Garching (kde byly prováděny podobné experimenty).
Vývoj na prvním interferometru začal krátce poté v Caltechu, což vedlo k vytvoření prototypu 40 metrů (130 stop), který testoval Weissovy teorie o gravitačních vlnách. V roce 1984 se shromáždila veškerá práce těchto institucí. Caltech a MIT s podporou National Science Foundation (NSF) vytvořili spolupráci LIGO a začali pracovat na svých dvou interferometrech v Hanfordu a Livingstonu.
Stavba LIGO byla logistickou i technickou výzvou. Věci se však nesmírně pomohlo, když se Barry Barish (tehdy Caltechův částicový fyzik) stal hlavním vyšetřovatelem (PI) LIGO v roce 1994. Po desetiletí zastavených pokusů byl také učiněn ředitelem LIGO a znovu postavil jeho konstrukci zpět na trať . Rozšířil také výzkumný tým a vypracoval podrobný pracovní plán pro NSF.
Jak naznačil Barish, práce, kterou odvedl s LIGO, byla splněna jako sen:
"Vždycky jsem chtěl být experimentálním fyzikem a byl jsem přitahován myšlenkou využití pokračujících technologických pokroků k provádění základních vědeckých experimentů, které by nebylo možné udělat jinak." LIGO je ukázkovým příkladem toho, co dříve nebylo možné udělat. Přestože se jednalo o velmi rozsáhlý projekt, výzvy se velmi lišily od způsobu, jakým stavíme most nebo realizujeme další velké inženýrské projekty. Pro společnost LIGO byla výzvou a je, jak vyvinout a navrhnout pokročilé přístroje ve velkém měřítku, a to i v průběhu vývoje projektu. “
Do roku 1999 byla stavba zabalena do observatoří LIGO a do roku 2002 začala LIGO získávat data. V roce 2008 byly zahájeny práce na zdokonalení jejích původních detektorů, známých jako Advanced LIGO Project. Proces přeměny prototypu 40 m na současné 4-km (2,5 mil) interferometry LIGO byl obrovský úkol, a proto bylo nutné jej rozdělit do několika kroků.
První krok se uskutečnil v letech 2002 až 2010, kdy tým vytvořil a testoval počáteční interferometry. I když to nevedlo k žádným detekcím, prokázalo to základní koncepce observatoře a vyřešilo mnoho technických překážek. Další fáze - zvaná Advanced LIGO, která proběhla v letech 2010 až 2015 - umožnila detektorům dosáhnout nové úrovně citlivosti.
Tyto aktualizace, k nimž došlo i pod vedením Barishe, umožnily vývoj několika klíčových technologií, které nakonec umožnily první detekci. Jak Barish vysvětlil:
"V počáteční fázi LIGO jsme pro izolaci detektorů od zemského pohybu použili systém zavěšení, který se skládal z zrcadel zkušební hmoty zavěšených na klavírní drát a použili jsme vícestupňovou sadu pasivních tlumičů, podobných těm v autě. Věděli jsme, že to pravděpodobně nebude dost dobré pro detekci gravitačních vln, a tak jsme v laboratoři LIGO vyvinuli ambiciózní program pro Advanced LIGO, který zahrnoval nový systém odpružení ke stabilizaci zrcadel a aktivní seismický izolační systém pro snímání a korekci pozemní pohyby. “
Vzhledem k tomu, jak centrální Thorne, Weiss a Barish studovali gravitační vlny, byli všichni tři právem uznáváni jako letošní příjemci Nobelovy ceny za fyziku. Thorne i Barish byli upozorněni, že vyhráli v časných ranních hodinách 3. října 2017. V reakci na zprávy si oba vědci jistě uvědomili pokračující úsilí LIGO, vědeckých týmů, které k tomu přispěly, a úsilí Caltech a MIT při vytváření a údržbě observatoří.
"Cena právem patří stovkám vědců a techniků LIGO, kteří postavili a zdokonalili naše komplexní gravitační vlnové interferometry, a stovkám vědců LIGO a Panny, kteří našli v gravitačních datech LIGO gravitační vlnové signály a extrahovali informace o vlnách, “Řekla Thorne. "Je nešťastné, že vzhledem ke statutu Nobelovy nadace nesmí být cena udělena ne více než třem lidem, když náš úžasný objev je dílem více než tisíců."
"Jsem pokorný a poctěn, abych získal toto ocenění," řekl Barish. „Detekce gravitačních vln je skutečně triumfem moderní rozsáhlé experimentální fyziky. Během několika desetiletí naše týmy v Caltech a MIT vyvinuly LIGO na neuvěřitelně citlivé zařízení, které objev objevilo. Když signál dosáhl LIGO z kolize dvou hvězdných černých děr, ke kterým došlo před 1,3 miliardami let, byla 1 000 vědeckých spolupracovníků LIGO Scientific Collaboration schopna identifikovat kandidátskou událost během několika minut a provést podrobnou analýzu, která přesvědčivě prokázala gravitační vlny existovat."
Při pohledu do budoucnosti je také zcela zřejmé, že Advanved LIGO, Advanced Virgo a další observatoře gravitačních vln na celém světě se teprve začínají. Kromě toho, že byly zjištěny čtyři samostatné události, nedávné studie naznačily, že detekce gravitačních vln by také mohla otevřít nové hranice pro astronomický a kosmologický výzkum.
Například nedávná studie týmu vědců z Monashova centra pro astrofyziku navrhla teoretický koncept známý jako „sirotčí paměť“. Podle jejich výzkumu gravitační vlny nejen způsobují vlny v časoprostoru, ale zanechávají ve své struktuře permanentní vlnky. Studiem „sirotků“ minulých událostí je možné studovat gravitační vlny jak na Zemi, tak dlouho poté, co prošli.
Kromě toho byla v srpnu zveřejněna studie týmu astronomů z Centra kosmologie na University of California v Irvine, která naznačovala, že fúze černých děr jsou mnohem běžnější, než jsme si mysleli. Po provedení průzkumu vesmíru, který měl počítat a kategorizovat černé díry, tým UCI určil, že v galaxii může být až 100 milionů černých děr.
Další nedávná studie naznačila, že k detekci gravitačních vln vytvořených supernovami lze také použít síť detektorů gravitačních vln Advanced LIGO, GEO 600 a Virgo. Detekováním vln vytvořených hvězdou, která exploduje na konci jejich životnosti, mohli astronomové poprvé vidět uvnitř srdcí kolabujících hvězd a vyzkoušet mechaniku tvorby černé díry.
Nobelova cena ve fyzice je jedním z nejvyšších ocenění, která mohou být udělena vědci. Ale ještě větší než toto je vědomí, že velké věci vyplynuly z vlastní práce. Desítky let poté, co Thorne, Weiss a Barish začali navrhovat gravitační vlnové studie a usilovali o vytvoření detektorů, vědci z celého světa dělají hluboké objevy, které revolucionizují způsob, jakým si myslíme o vesmíru.
A jak tito vědci jistě doloží, to, co jsme dosud viděli, je jen špičkou ledovce. Dá se představit, že někde Einstein také zářil s hrdostí. Stejně jako u jiných výzkumů vztahujících se k jeho teorii obecné relativity, i studium gravitačních vln ukazuje, že i po století byly jeho předpovědi stále na rtech!
A nezapomeňte se podívat na toto video tiskové konference v Caltech, kde byli Barish a Thorn poctěni za své úspěchy:
