Vědci objevili supersilné gravitační vlny. Mohou být ozvěnou předchozího vesmíru

Po patnácti letech výzkumů oznámil mezinárodní vědecký tým, že zaslechl „věčný chór gravitačních vln, který se rozléhá naším vesmírem“. A podle výsledků je tento kosmický hudební sbor mnohem hlasitější, než se čekalo.

Převratný objev učinili vědci ze Severoamerické observatoře pro gravitační vlny (NANOGrav), kteří pozorně sledovali hvězdy zvané pulsary. Nově objevené gravitační vlny, které se dají popsat jako vlnky v časoprostoru, jsou zdaleka nejsilnější, jaké kdy byly naměřeny.

Přinášejí zhruba milionkrát více energie než jednorázové záblesky gravitačních vln ze splynutí černých děr a neutronových hvězd, které vědci objevili před několika lety v experimentech LIGO a Virgo.

Tango černých děr

Většinu těchto gigantických gravitačních vln pravděpodobně vytvářejí dvojice supermasivních černých děr, které se k sobě navzájem přitahují a po spirálovité dráze směřují ke kataklyzmatickým srážkám. Tyto tance se odehrávají v celém vesmíru, uvádějí vědci v sérii nových studií, jež vyšly v časopise The Astrophysical Journal Letters.

„Je to jako sbor, ve kterém se všechny tyto páry supermasivních černých děr rozeznívají na různých frekvencích,“ říká Chiara Mingarelliová, která na nových objevech pracovala jako vědecká pracovnice v Centru pro výpočetní astrofyziku (CCA) Flatiron Institute v New Yorku. „Jedná se o vůbec první důkaz gravitačního vlnového pozadí. Otevřeli jsme tím nové okno pro pozorování vesmíru.“

Vlnové pozadí kosmu

Existence a složení gravitačního vlnového pozadí, o němž se už dlouho hovoří, ale nikdy předtím nebylo slyšet, představuje pro vědu pokladnici nových informací, ze které může těžit odpovědi na zásadní otázky, které si dlouho klade.  

„Pozadí gravitačních vln je asi dvakrát hlasitější, než jsme očekávali,“ říká Mingarelliová. „Je to opravdu na horní hranici toho, co naše modely dokážou vytvořit jen ze supermasivních černých děr.“

Tato ohlušující hlasitost může být důsledkem nedostatků vědeckého experimentu, nebo těžších a početnějších supermasivních černých děr. Podle Mingarelliové ale existuje také možnost, že silné gravitační vlny mají jiný původ než „obyčejné“ srážky černých děr. Co by to podle ní mohlo být? Například mechanismy předpovězené teorií strun nebo alternativní vysvětlení zrodu vesmíru. „Tohle je teprve začátek,“ ujišťuje vědkyně.

Experiment velký jako celá galaxie

Tomuto začátku ale předcházel rozměry zřejmě největší experiment v dějinách lidstva. Gravitační vlny, které vědci hledali, se liší od všech dosud naměřených. Na rozdíl od vysokofrekvenčních vln detekovaných pozemskými přístroji, jako jsou LIGO a Virgo, je pozadí těchto 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 celé desítky světelných let. Takové rozměry jsou nejen nepředstavitelné pro člověka, ale hlavně je neumí zaznamenat žádné přístroje na Zemi. A tak si vědci museli vypomoci jinak.

Astrofyzici pozorně sledovali pulsary, ultrahusté pozůstatky masivních hvězd, které se staly supernovami. Pulzary fungují jako jakési hvězdné majáky, jež ze svých magnetických pólů vysílají paprsky rádiových vln. Jak pulsary rychle rotují (někdy i stokrát za sekundu), tyto paprsky se rozlétávají po obloze a z našeho pohledu na Zemi se jeví jako rytmické pulzy rádiových vln – trošku tak připomínají monstrózně velké diskotékové koule.

Pulzy přicházejí na Zemi zcela přesně – jako dokonale načasovaný metronom. Načasování je tak přesné, že když Jocelyn Bellová v roce 1967 naměřila první rádiové vlny z pulzaru, astronomové se domnívali, že by mohlo jít o signály mimozemské civilizace.

Když gravitační vlna projde mezi námi a pulzarem, naruší tím časování rádiových vln. Je to proto, že (jak předpověděl Albert Einstein), gravitační vlny při svém vlnění vesmírem roztahují a stlačují prostor a mění tak vzdálenost, kterou musí rádiové vlny urazit.

Vědci z NANOGravu ze Spojených států a Kanady po dobu 15 let pečlivě měřili čas rádiových vln z desítek pulsarů v naší galaxii pomocí observatoře Arecibo v Portoriku, teleskopu Green Bank v Západní Virginii a soustavy Very Large Array v Novém Mexiku. Nová zjištění jsou výsledkem podrobné analýzy soustavy 67 pulsarů, které se vlastně staly obřími detektory.

„Pulzary jsou ve skutečnosti velmi slabé rádiové zdroje, takže k provedení tohoto experimentu potřebujeme tisíce hodin ročně u největších teleskopů na světě,“ říká Maura McLaughlinová z West Virginia University, spoluředitelka centra NANOGrav.

Šum, nebo signál

V roce 2020, kdy byla k dispozici data za zhruba dvanáct let, začali vědci z NANOGravu pozorovat náznaky signálu, dodatečného „šumu“, který je společný pro časové chování všech pulsarů v soustavě. Nyní, po třech letech dalších pozorování, nashromáždili konkrétní důkazy o existenci gravitačního vlnového pozadí.

„Nyní, když máme důkazy o gravitačních vlnách, je dalším krokem využití našich pozorování ke studiu zdrojů, které tento šum produkují,“ říká Sarah Vigelandová z University of Wisconsin-Milwaukee, která vedla pracovní skupinu pro detekci NANOGrav.

Nejpravděpodobnějšími zdroji gravitačního vlnového pozadí jsou dvojice supermasivních černých děr zachycených ve spirále smrti. Tyto černé díry jsou skutečně kolosální, obsahují hmotu v hodnotě miliard Sluncí. Téměř všechny galaxie, včetně naší Mléčné dráhy, mají ve svém jádru alespoň jednu z těchto černých děr. Když se dvě galaxie spojí, jejich supermasivní černé díry se mohou setkat a začít obíhat jedna kolem druhé. Postupem času se jejich dráhy zužují, protože plyn a hvězdy procházejí mezi černými dírami a kradou jim energii.

Nakonec se supermasivní černé díry přiblíží natolik, že krádeže energie ustanou. Některé teoretické studie již po desetiletí tvrdí, že černé díry se pak na neurčito zastaví, když jsou od sebe vzdáleny přibližně 1 parsek (zhruba tři světelné roky). Tato teorie o blízkosti se stala známou jako problém posledního parseku. Podle tohoto scénáře dochází ke splynutí pouze u vzácných skupin tří a více supermasivních černých děr. 

Protože páry supermasivních černých děr vznikají v důsledku splynutí galaxií, množství jejich gravitačních vln pomůže kosmologům odhadnout, jak často se galaxie v historii vesmíru srážely.

Alternativní vysvětlení

Ne všechny gravitační vlny detekované systémem NANOGrav ale 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 zvané kosmické struny. Tyto struny by mohly rozptylovat energii vysíláním gravitačních vln. Jiný návrh předpokládá, že vesmír nezačal Velkým třeskem, ale Velkým odrazem, kdy se předchůdce našeho vesmíru zhroutil sám do sebe, než se opět rozšířil směrem ven. V takovém příběhu o vzniku by se gravitační vlny z této události stále vlnily časoprostorem.

Existuje také možnost, že pulzary nejsou dokonalými detektory gravitačních vln, jak si vědci myslí, a že místo toho mohou mít nějakou neznámou proměnlivost, která zkresluje výsledky NANOGravu. „Nemůžeme k pulsarům přijít a zapnout je a zase vypnout, abychom zjistili, jestli je tam nějaká chyba,“ dodává Mingarelliová. 

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

Vědci prozatím uchránili nejstarší strom světa před novou dálnicí

Nejstarší světový strom mohl být ohrožen výstavbou dálnice. Zachránila ho prozatím ovšem kampaň vědců. Ti zdůrazňují přínos podobných velikánů k poznání ohledně změn klimatu. Ve svém článku o příběhu stromu reportoval web německé stanice Deutsche Welle.
před 2 hhodinami

Ústup očkování v USA by svědčil hlavně spalničkám, ohrozil by miliony lidí

Očkování je jednou z páteří moderní medicíny. Stačí drobné snížení proočkovanosti a dopady na společnost jsou obrovské. Vědci na základě rozsáhlého modelu pro různé scénáře popsali, jaká budoucnost čeká ohledně šíření nakažlivých nemocí Spojené státy.
před 5 hhodinami

Firma Amazon vypustila první várku svých internetových družic

Společnost Amazon miliardáře Jeffa Bezose v pondělí tamního času (v noci na úterý SELČ) vypustila na oběžnou dráhu první várku družic svého projektu Kuiper, který má z vesmíru poskytovat vysokorychlostní internetové připojení po celém světě a snažit se konkurovat nyní dominantnímu Starlinku nejbohatšího muže planety Elona Muska. Informovaly o tom tiskové agentury s odkazem na živý přenos.
06:32Aktualizovánopřed 6 hhodinami

Levá, nebo pravá? Vědci zkoumali, do jaké ruky je lepší očkovat

Když lidé dostávají posilující dávku vakcíny, mnohdy si ji nenechají dát do stejné ruky jako tu první. Nový výzkum popsal, že vhodnější je očkovat do stejného místa. Výsledky by se podle autorů daly využít zejména během pandemií, během nichž je nutné očkovat v průběhu epidemické situace.
před 7 hhodinami

Do vesmíru odstartovala evropská sonda, která se zaměří na lesy

Po jedenácté hodině dopoledne odletěla do kosmu mise Evropské vesmírné agentury (ESA). Raketa Vega-C vynesla na oběžnou dráhu sondu Biomass, jejímž cílem je monitorovat biomasu na Zemi, hlavně lesy.
11:16Aktualizovánopřed 7 hhodinami

Čechoslovačky chtěly bojovat i na Západě. Vlastní armáda o ně ale nestála

I ženy chtěly bojovat – ale nezáleželo to pouze na jejich odhodlání. Pokud se Čechoslovačky chtěly zapojit do zahraničního odboje na Západě, musely se kromě svého odhodlání vybavit i silou čelit mnohým překážkám. Navzdory prvotním plánům se totiž nesměly do války zapojit v československé armádě, ale pouze v britských jednotkách jako cizinky. Více než dvě stě žen ochotných pomáhat v boji s Hitlerem přitom plnilo důležité úkoly – sloužily mimo jiné jako elektrikářky, opravářky optických přístrojů, šifrantky i baličky padáků. Ani válečné hrdinství jim ale uznání nepřineslo.
před 7 hhodinami

Všudypřítomný protein je trend, mnohdy ale klame

Všude samý protein, chce se říct při pohledu na regály obchodů. Obaly jogurtů, těstovin, sýrů, cukrovinek i nápojů lákají na proteiny, tedy bílkoviny, které zajišťují svalový růst, podílí se na imunitě, regeneraci či hormonální činnosti. Touhu po zdravé výživě však pohání i marketingové triky. „Utrácíme za něco, co ve skutečnosti nepotřebujeme,“ řekl ČT24 nutriční expert Martin Jelínek.
před 9 hhodinami

Robotická trojkolka Helhest může pomoci vojákům i záchranářům

Jmenuje se po koni, na němž jezdila vikinská bohyně smrti. Ale on sám by měl přinášet spíše život, pomoc a podporu. Řeč je o novém pokročilém autonomním systému Helhest, který vznikl na Českém vysokém učení technickém v Praze. Robot připomínající trojkolku by se měl podle jeho autorů dát využít pro průzkum, obranné operace i pátrací a záchranné mise.
před 23 hhodinami
Načítání...