Představte si, že změříte vzdálenost od Země ke Slunci s tolerancí o velikosti jediného atomu. Nebo určíte počet kilometrů k nejbližší hvězdě Alfa Centauri, od níž k nám světlo letí čtyři roky, s odchylkou tloušťky lidského vlasu. Zní to jako sci-fi, ale dosáhnout takové přesnosti je ambicí největšího kosmického projektu, jaký kdy lidstvo plánovalo. Jmenuje se LISA a jeho cílem je najít gravitační vlny.
Existenci těchto vln předpověděl Albert Einstein už v roce 1916. Od té doby proběhla řada pokusů, které se je snaží zachytit - ale zatím marně. Co vlastně odborníci hledají? Periodické změny v zakřivení časoprostoru. Podle Einsteina k sobě tělesa nejsou přitahována gravitační silou, jak tvrdil Newton, ale pohybují se po volných drahách v časoprostoru, který je vlivem hmoty zakřiven. Extrémní kosmické objekty a události, jako jsou výbuchy supernov, srážky černých děr nebo neutronových hvězd, ale svým působením vyvolávají periodické změny v tomto zakřivení. Einstein je nazval gravitačními vlnami.
V praxi by se měly projevovat tak, že se vzdálenost dvou těles letících volným pádem pravidelně mění. Zatím se podařilo existenci vln prokázat jen nepřímo - pozorováním dvojice neutronových hvězd, označované PSR 1913+16, které obíhají kolem sebe v těsné blízkosti. Ukázalo se, že se doba jejich oběhu nepatrně zkracuje - to znamená, že se k sobě přibližují a ztrácejí energii ve formě gravitačních vln. Měření přesně odpovídají tomu, co Einstein předpověděl. V roce 1993 byla za tento objev udělena Nobelova cena za fyziku. Pozemské detektory zatím mlčí Přímý důkaz o gravitačních vlnách ale stále chybí. Od 80. let je vědci hledají pomocí tzv. laserových interferometrů - vakuových tunelů, ve kterých se pomocí laserových paprsků proměřuje přesná vzdálenost volně zavěšených předmětů na jejich konci. Existuje jich několik - americké LIGO, německé GEO nebo italské Virgo - a jejich týmy spolupracují.
Vědci svá zařízení postupně vylepšovali, až dosáhli plánované citlivosti 10-22. Toto číslo značí podíl změny vzdálenosti dvou těles vlivem gravitačních vln a jejich celkové vzdálenosti. Citlivost odpovídá přirovnáním uvedeným v úvodu článku. V tříkilometrovém tunelu by měli zachytit odchylku o 0,0000000000000000003 metru.
Přestože odborníci předpovídali, že při takové citlivosti vlny zachytí, a původní odhady dokonce hovořily o termínu kolem roku 2000, dodnes se to nepodařilo. „Nejnovější počítačové simulace výbuchů hvězd naznačují, že při nich vznikají slabší gravitační vlny, než jsme si dosud mysleli. Takže pro jejich zachycení budeme potřebovat ještě citlivější detektory,“ vysvětluje docent Jiří Podolský z Ústavu teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulty UK v Praze.
„V místě svého vzniku jsou gravitační vlny velice silné, ale se vzdáleností slábnou - a jejich zdroje jsou od Země tak daleko, že k nám přicházejí jen s nepatrnou amplitudou, a proto je nesmírně obtížné je najít,“ říká český odborník.
V příštích letech se pozemské detektory dočkají různých vylepšení, která mají jejich citlivost desetinásobně zvýšit. Pak ale tato zařízení narazí na hranice svých možností. Fyzikové ovšem upínají naděje k projektu LISA (Laser Interferometer Space Antenna), který má hledat gravitační vlny přímo ve vesmíru.
Tyto vlny se totiž vyskytují v různých frekvencích. „Neutronové hvězdy nebo černé díry, které kolem sebe obíhají, typicky vyzařují gravitační vlny v řádu milihertzů. Těsně před srážkou se ale jejich frekvence zvýší na desítky až stovky hertzů. Pokud bychom je převedli na zvukové vlny, mohli bychom je zaslechnout, protože lidské ucho zachytí přibližně 20 až 20 tisíc hertzů,“ uvádí docent Podolský. Detektory na zemském povrchu jsou „naladěny“ právě na vyšší frekvenci, takže by dokázaly zachytit jen závěrečné „výkřiky“ hvězd nebo černých děr během srážky. Nižší frekvence jsou mimo jejich možnosti, protože je na Zemi ruší seizmický šum a další vlivy.
Obří trojúhelník Vědci proto chtějí vyslat do vesmíru obří detektor, který se soustředí na nižší a mnohem častější frekvence. Tam vědci vidí jistotu, že „něco“ zachytí. Kromě toho si od kosmického zařízení slibují, že nebude zdaleka tolik rušeno šumem jako na Zemi.
Detektor ve tvaru rovnostranného trojúhelníku mají tvořit tři družice obíhající kolem Slunce na podobné dráze jako Země. Od sebe navzájem je bude dělit celých pět milionů kilometrů - půjde tedy doslova o největší experiment, jaký lidstvo podnikne.
Každá družice má ukrývat čtyřcentimetrovou krychličku ze zlata a platiny. Krychle se budou volně vznášet ve vakuové komoře. Vědci musí zajistit, aby na ně kromě gravitace nepůsobily žádné vnější síly - magnetické pole, záření, sluneční vítr a podobně.
Jako ochranný štít proti těmto vlivům poslouží samotné tělo družice. To bude pečlivě proměřovat vzdálenost krychle od stěn vakuové komory. Když se začne k jedné ze stěn přibližovat, zažehnou se na družici mikrotrysky, které její dráhu nepatrně upraví - ovšem tak, aby to krychli uvnitř nijak neovlivnilo. „Působení trysek bude stejně jemné jako váš dech ze vzdálenosti dvou set metrů,“ uvedl pro časopis Nature nizozemský vědec Paul McNamara, který se na projektu podílí.
Teprve když budou mít vědci jistotu, že na krychle nepůsobí žádné nežádoucí vlivy, mohou začít hledat důkaz o gravitačních vlnách. Jednotlivé družice budou proměřovat vzájemnou vzdálenost krychlí a zkoumat, zda se mění. Každý satelit vyšle laserový paprsek, který se odrazí od kostky v sousední oběžnici a poletí zpátky.
Tam ho zachytí speciální dalekohled a porovná s původním světlem. Pokud se změnila fáze nebo frekvence odražených paprsků, znamená to, že světlo cestou zpátky urazilo jinou vzdálenost - došlo k dodatečnému zakřivení časoprostoru vlivem gravitační vlny. Na pět milionů kilometrů, jež mají jednotlivé krychle dělit, se ovšem změny budou pohybovat v řádu pouhých pikometrů (biliontin metru). Průkopník ukáže cestu Pochopitelně jde o velice technicky náročný a nákladný projekt, přijde zhruba na dvě miliardy dolarů. Proto na něm spojily své síly americká NASA s Evropskou kosmickou agenturou. Původně měly družice startovat kolem roku 2010, nyní se za nejbližší realistický termín považuje rok 2018.
V současné době experti dokončují družici LISA Pathfinder (Průkopník), na které chtějí vyzkoušet všechny technologie nanečisto. Koncem příštího roku ji vyšlou do tzv. libračního bodu L1 ve vzdálenosti 1,5 milionu kilometrů od Země, kde je gravitační síla Slunce a naší planety v rovnováze.
„Na tomto demonstrátoru chtějí například otestovat, zda se podaří vypustit krychle do vakuové komory s nulovým zrychlením a odstínit je od všech nechtěných vlivů nebo zda budou lasery a dalekohledy ve vesmíru pracovat, jak mají - i když zatím na vzdálenost jednoho metru, nikoliv pěti milionů kilometrů,“ říká docent Jiří Podolský.
Princip volných testovacích těles ve vakuové komoře se sice už nyní uplatňuje na geodetických družicích, ale nikdy nebyl využit v tak náročném projektu. „Bude to klíčový test, který rozhodne o dalším osudu družice LISA,“ dodává fyzik. Zatím má tento projekt v nabité konkurenci dalších misí nadějnou pozici, představitelé kosmických agentur jí dávají nejvyšší vědeckou prioritu. Při neúspěchu zkušební družice by jejich zájem pravděpodobně ochladl.
Pokud vše půjde podle plánu, mohli bychom kolem roku 2020 konečně znát odpověď na to, jak gravitační vlny vypadají. A jejich analýzou zjistit nové údaje o dvojhvězdách, černých dírách, neutronových hvězdách, ale také o tom, jak vznikl vesmír a jak se vyvíjel těsně po velkém třesku. Vědci se totiž domnívají, že podobně jako dodnes putuje vesmírem reliktní elektromagnetické záření z raného vesmíru, mohly by existovat také reliktní gravitační vlny.
A pokud ani LISA nic nezachytí? „Jestliže bychom vyloučili, že jde o technickou chybu, nezbývalo by než uznat, že se Einstein mýlil, a upravit jeho teorii obecné relativity. Asi by nebyla úplně mrtvá, ale museli bychom ji modifikovat,“ uzavírá docent Podolský.
***
Pokud družice žádné gravitační vlny nezachytí, museli bychom uznat, že se Einstein mýlil, a upravit obecnou teorii relativity
