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.
Vědci objevili supersilné gravitační vlny. Mohou být ozvěnou předchozího vesmíru
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.