Keď vybuchne hviezda alebo sa zrazia dve čierne diery, celá Zem sa nepatrne zachveje. Nie hneď, o chvíľu. (Napríklad keby to bolo v hmlovine Andromédy, tak o dva a pol milióna rokov.) Aj keď to zatiaľ nijaký prístroj nezaznamenal, sme presvedčení, že to tak je. Telesá, ktorých časti sa navzájom pohybujú, musia vysielať gravitačné vlny. Takže je to, ako keď po vode prejde motorový čln: vznikne vlna, vlna dorazí k bóji, bója sa rozhojdá.
Čo sa vlní, keď sa v priestore šíri gravitačná vlna? Pri vlnách na vode je to jasné: voda. Pri tých druhých vlnách nijaký hmatateľný nosič nemáme. Len gravitáciu. Nie tú školskú, s „ef je úmerné jedna lomeno er na druhú”, ale Einsteinovu, ktorá pôsobí na telesá okľukou cez priestor a čas. Ak veríme Einsteinovi, jablko nepadá preto, že ho Zem priťahuje, ale preto, že Zem brzdí, máličko, ale predsa, plynutie času pri svojom povrchu. Gravitačná vlna vplýva na telesá, ktoré jej prídu do cesty, takisto okľukou. Ale ide na to ináč než Zem. Čas necháva tak, ako je. Na hladine jazera sa dvíha a klesá voda; okolo hviezdy, ktorá vybuchla, sa rozťahuje a stláča priestor.
Gravitačné vlny vznikajú aj vtedy, keď dve hviezdy obiehajú v tesnej blízkosti okolo seba. Vysielaním vĺn sa brzdia, čo znamená, že sa k sebe pomaličky približujú. Ich obiehanie sa pritom zrýchľuje. (Vyzerá to ako prerieknutie, ale je to tak. Aj družica, ktorá sa brzdí vo vrchných vrstvách atmosféry, naberá rýchlosť.) Hviezdny kolotoč so zvyšujúcimi sa obrátkami objavili astronómovia už v 70. rokoch, a funguje presne podľa Einsteinovho vzorca. Takže vidíme gravitačné vlny v akcii. Lenže je to ako zrátať kvapky potu na čelách futbalových divákov a povedať, že sme videli mexickú vlnu. Nedajú sa tie vlny pozorovať trochu menej nepriamo?
Keď niekam dorazí gravitačná vlna, začne meniť vzdialenosti v smeroch kolmých na ten, v ktorom dopadla. Robí to na striedačku: zväčší ich v jednom smere a zmenší v druhom, zmenší ich v jednom smere a zväčší v druhom, zväčší ich v jednom smere… a tak ďalej. Dá sa to pozorovať tak, že rozdelíte laserový lúč a pošlete jeho dve časti, aby putovali po dráhach do L-ka tam a späť. Lúč, ktorého dráha sa natiahla, sa vráti neskôr než predtým, a lúč, ktorého dráha sa scvrkla, bude späť skôr. Ale dlhšiu dráhu bude mať chvíľu jeden a chvíľu druhý, preto sa časový posun medzi nimi bude preklápať z plusu do mínusu a späť. Treba to len zmerať. Jednoduché, však? Ani nie. Pokúšali sa o to takmer desať rokov v dvoch osemkilometrových podzemných tuneloch v Luisiane a štáte Washington – dvoch preto, aby mali kontrolu, keď niečo namerajú – a neuspeli. Tie vlny sú príliš slabé.
Svetlo je tiež vlna, a laserové svetlo je vlna s údoliami a vŕškami, ktoré nasledujú za sebou všade v rovnakom takte. Takým svetlom sa dajú merať veľmi malé zmeny vzdialenosti veľmi presne. Lenže rovnako dobre na to môže poslúžiť obyčajné svetlo, keď je ho veľa. Čo keby bola okolo Zeme obria plynová šupka, takmer rovnako horúca ako Slnko? Taký plyn svieti, a jeho svetlo je takmer rovnako silné ako to, ktoré by sme videli na Slnku, keby sme na ňom pristáli. Takže tá šupka, keby existovala, by bola ideálnym prístrojom na zachytávanie gravitačných vĺn. Bola by to VGA – Veľká gravitačná anténa.
.obloha nad oblohou
Skutočnosť sa nemusí starať, aby bola uveriteľná. Tá šupka existuje. Je ďalej než všetko, čo vidíme na oblohe, a z plynu, ktorý ju vypĺňal, sa medzitým stali hviezdy, ako sú naše. Lenže čím ďalej v priestore je od nás nejaký kút vesmíru, tým ďalej v čase je od nás okamih, keď sa naň pozeráme. A na tú šupku sa pozeráme naozaj dávno. Svetlo, ktoré z nej prichádza, putovalo na Zem takmer rovnako dlho, ako trvá vesmír. Je to posol z doby, keď bol veľký tresk čerstvou spomienkou. Aspoň v porovnaní s dneškom. Neuplynulo od neho vyše trinásť miliárd rokov, ale len štyristotisíc.
Odkiaľ sa vzal vo vesmíre horúci plyn? Nemusel sa „odniekiaľ vziať”. Bol v ňom od začiatku, rozložený rovnomerne v celom priestore, len tu a tam mikroskopicky zhustený či zriedený. Ako sa vesmír rozpínal, plyn chladol, až kým nebol taký studený, že prestal svietiť. Aj pohlcovať svetlo. Z dvoch síl, ktoré v ňom pôsobili, tlaku svetla a gravitácie, tak ostala len druhá, a jej účinkom sa miesta s nepatrne vyššou hustotou začali stláčať. Tak vznikli galaxie, hviezdne ostrovy, ktoré dnes zapĺňajú priestor okolo nás.
Plyn z dávnych dôb osvetľuje aj dnes našu Zem. Vidíme z neho iba tenkú vrstvu z doby štyristotisíc rokov po veľkom tresku, keď ešte svietil, ale už-už prestával. Čosi ako poslednú fotografiu z rodinného albumu. Vypĺňal vtedy, rovnako ako predtým a potom, celý vesmír, ale jediná z jeho vrstiev mala správnu polohu aj veľkosť, aby svetlo z nej dorazilo práve k nám práve teraz. Iné vrstvy nevidíme, bližšie preto, že už nesvietili, a vzdialenejšie preto, že svetlo z nich sa cestou k nám pohltilo. Takže áno: šupka z horúceho plynu, ktorú sme si vyfantazírovali, naozaj obklopuje Zem – aj keď namiesto „obklopuje“ by bolo priliehavejšie povedať „obklopovala“, a namiesto „Zem“„miesto, kde je dnes Zem“.
Za jasných nocí máme nad sebou hviezdnu oblohu, priepasť priestoru siahajúcu k ďalekým galaxiám, z ktorých vidno na Zemi len fliačky svetla v najväčších ďalekohľadoch. Plynná šupka z čias, keď ešte nijaké galaxie ani hviezdy neboli, sa rozprestiera za touto priepasťou ako druhá, neviditeľná obloha.
Horúci plyn mal v posledných okamihoch, keď ešte svietil, „iba” tritisíc stupňov nad absolútnou nulou. Samozrejme, taký horúci ho nevidíme, to by bola druhá obloha jasná takmer ako slnko. Vtip je v tom, že vesmírny priestor sa rozpína – opäť Einsteinov výklad gravitácie! – a keď sa svetlo šíri v takom priestore, vlny, z ktorých sa skladá, sa naťahujú. To sa dialo aj so svetlom z druhej oblohy, keď putovalo na Zem. Jeho vlnová dĺžka vzrástla. Podstatne vzrástla. Silné svetlo s maximom v blízkej infračervenej oblasti sa tak zmenilo na slabý rádiový šum – kozmické mikrovlnné pozadie.
Vedci prvýkrát zachytili žiarenie kozmického pozadia pred päťdesiatimi rokmi. Časom v ňom objavili malé odchýlky od rovnomerného rozdelenia na oblohe, pozostatky výkyvov v hustote prvotného plynu. To je priam bájny pirátsky poklad, ak chceme vedieť, aký je vesmír starý a z čoho je zložený. No a teraz sa ukázalo, že v truhlici s pokladom bola ešte jedna priehradka.
.kde polárne líšky dávajú dobrú noc
Keď budete niekedy na južnom póle, nemali by ste obísť nenápadnú modrú budovu na podstavci z kovových trubiek, ktorá má navrchu biely lievik. Je bokom od hlavného bloku tamojšej stanice, pri veľkom ďalekohľade, ktorý si urobil meno podrobnou mapou vzdialených končín vesmíru. V tom lieviku je iný ďalekohľad, podstatne menší, no tiež už zapísaný do histórie. Prístroj, ktorý zachytil signál z Veľkej gravitačnej antény.
Experiment, o ktorom je reč, sa volá BICEP2. (Môže to znamenať aj „sval na ruke“, hoci ten sa správne povie „biceps“.) Začal sa, keď na stanicu prišli astronómovia-polárnici v červených vetrovkách s výplňou z husacieho páperia a kapucami z kojotej srsti, a priniesli nový ďalekohľad, rúru dlhú okolo troch metrov a s priemerom necelý meter. Potom ostalo len čakať. Nie dlho, tri noci. Bolo to na póle, tak polárne.
Meranie vyzeralo tak, že ďalekohľad stále znovu prechádzal po malom obdĺžniku na nebi a zaznamenával údaje o veľmi slabých milimetrových vlnách, ktoré stade prichádzali. Aké údaje? V ohniskovej rovine ďalekohľadu, ochladenej na štvrť stupňa nad absolútnou nulou – aj na južný pól slušný mráz! –, boli naukladané malé doštičky s anténkami v dvoch navzájom kolmých smeroch. Na každej z nich boli dva prístrojčeky, ktoré zisťovali – z tepla, ktoré sa uvoľňuje pri prechode prúdu vodičom – aká časť energie vĺn z daného miesta na nebi pripadá na jeden smer a aká na druhý. Po mnohých a mnohých meraniach sa tak mohlo o každom mieste z vybraného obdĺžnika povedať: v tomto smere je energia vlny trošilinku väčšia a v tomto smere trošilinku menšia. Hovorí sa tomu polarizácia žiarenia. Aká tá polarizácia je, to sa dá znázorniť čiaročkou natočenou v smere, v ktorom energia prevláda, tým dlhšou, čím je rozdiel energií väčší.
Úlohou experimentu BICEP2 bolo zmerať čo najpresnejšie polarizáciu žiarenia kozmického pozadia vo vybranej časti oblohy a zistiť z nej, či na plynnú šupku, z ktorej k nám toto žiarenie prichádza, dopadali gravitačné vlny. Hľadalo sa zakrúcanie čiaročiek na mape do špirál. (Prečo? O tom možno viac v druhom článku.) Rovnaké meranie v rovnakom čase robila družica Planck. Lenže z nej zatiaľ výsledky neprišli. A polárnici tie špirály našli. Tam-ta-da-dááá!
.nejasná správa o začiatku sveta
Keď prišla zvesť o objave z južného pólu, písalo sa, že je to „dymiaca sa pištoľ“ kozmologickej inflácie. Dôkaz, že naozaj, ako tvrdí obľúbená teória kozmológov, náš vesmír sa nepatrný zlomok sekundy po veľkom tresku mnoho- a mnohokrát nafúkol. Dá sa povedať, že gravitačné vlny „vidíme“ cez okuliare teórie už vtedy. No pozoruhodnejšie je, že ich „vidíme“ bez optickej pomôcky, očami, ktorými sa dívame na oblohu za slnečného dňa, v čase štyristotisíc rokov po veľkom tresku. Plyn, ktorý rozkmitali, nie je menej skutočný než vzduch, z ktorého je tá obloha. Je ďaleko, ale práve to z neho robí skvelú gravitačnú anténu. Je to čosi podobné, ako keď prvok hélium vedci našli najprv na Slnku a až potom na Zemi. Zo Zeme na Zem okľukou cez kozmický priestor, alebo – čo nemáš doma, nájdeš vo vesmíre!
.autor je fyzik.
Čo sa vlní, keď sa v priestore šíri gravitačná vlna? Pri vlnách na vode je to jasné: voda. Pri tých druhých vlnách nijaký hmatateľný nosič nemáme. Len gravitáciu. Nie tú školskú, s „ef je úmerné jedna lomeno er na druhú”, ale Einsteinovu, ktorá pôsobí na telesá okľukou cez priestor a čas. Ak veríme Einsteinovi, jablko nepadá preto, že ho Zem priťahuje, ale preto, že Zem brzdí, máličko, ale predsa, plynutie času pri svojom povrchu. Gravitačná vlna vplýva na telesá, ktoré jej prídu do cesty, takisto okľukou. Ale ide na to ináč než Zem. Čas necháva tak, ako je. Na hladine jazera sa dvíha a klesá voda; okolo hviezdy, ktorá vybuchla, sa rozťahuje a stláča priestor.
Gravitačné vlny vznikajú aj vtedy, keď dve hviezdy obiehajú v tesnej blízkosti okolo seba. Vysielaním vĺn sa brzdia, čo znamená, že sa k sebe pomaličky približujú. Ich obiehanie sa pritom zrýchľuje. (Vyzerá to ako prerieknutie, ale je to tak. Aj družica, ktorá sa brzdí vo vrchných vrstvách atmosféry, naberá rýchlosť.) Hviezdny kolotoč so zvyšujúcimi sa obrátkami objavili astronómovia už v 70. rokoch, a funguje presne podľa Einsteinovho vzorca. Takže vidíme gravitačné vlny v akcii. Lenže je to ako zrátať kvapky potu na čelách futbalových divákov a povedať, že sme videli mexickú vlnu. Nedajú sa tie vlny pozorovať trochu menej nepriamo?
Keď niekam dorazí gravitačná vlna, začne meniť vzdialenosti v smeroch kolmých na ten, v ktorom dopadla. Robí to na striedačku: zväčší ich v jednom smere a zmenší v druhom, zmenší ich v jednom smere a zväčší v druhom, zväčší ich v jednom smere… a tak ďalej. Dá sa to pozorovať tak, že rozdelíte laserový lúč a pošlete jeho dve časti, aby putovali po dráhach do L-ka tam a späť. Lúč, ktorého dráha sa natiahla, sa vráti neskôr než predtým, a lúč, ktorého dráha sa scvrkla, bude späť skôr. Ale dlhšiu dráhu bude mať chvíľu jeden a chvíľu druhý, preto sa časový posun medzi nimi bude preklápať z plusu do mínusu a späť. Treba to len zmerať. Jednoduché, však? Ani nie. Pokúšali sa o to takmer desať rokov v dvoch osemkilometrových podzemných tuneloch v Luisiane a štáte Washington – dvoch preto, aby mali kontrolu, keď niečo namerajú – a neuspeli. Tie vlny sú príliš slabé.
Svetlo je tiež vlna, a laserové svetlo je vlna s údoliami a vŕškami, ktoré nasledujú za sebou všade v rovnakom takte. Takým svetlom sa dajú merať veľmi malé zmeny vzdialenosti veľmi presne. Lenže rovnako dobre na to môže poslúžiť obyčajné svetlo, keď je ho veľa. Čo keby bola okolo Zeme obria plynová šupka, takmer rovnako horúca ako Slnko? Taký plyn svieti, a jeho svetlo je takmer rovnako silné ako to, ktoré by sme videli na Slnku, keby sme na ňom pristáli. Takže tá šupka, keby existovala, by bola ideálnym prístrojom na zachytávanie gravitačných vĺn. Bola by to VGA – Veľká gravitačná anténa.
.obloha nad oblohou
Skutočnosť sa nemusí starať, aby bola uveriteľná. Tá šupka existuje. Je ďalej než všetko, čo vidíme na oblohe, a z plynu, ktorý ju vypĺňal, sa medzitým stali hviezdy, ako sú naše. Lenže čím ďalej v priestore je od nás nejaký kút vesmíru, tým ďalej v čase je od nás okamih, keď sa naň pozeráme. A na tú šupku sa pozeráme naozaj dávno. Svetlo, ktoré z nej prichádza, putovalo na Zem takmer rovnako dlho, ako trvá vesmír. Je to posol z doby, keď bol veľký tresk čerstvou spomienkou. Aspoň v porovnaní s dneškom. Neuplynulo od neho vyše trinásť miliárd rokov, ale len štyristotisíc.
Odkiaľ sa vzal vo vesmíre horúci plyn? Nemusel sa „odniekiaľ vziať”. Bol v ňom od začiatku, rozložený rovnomerne v celom priestore, len tu a tam mikroskopicky zhustený či zriedený. Ako sa vesmír rozpínal, plyn chladol, až kým nebol taký studený, že prestal svietiť. Aj pohlcovať svetlo. Z dvoch síl, ktoré v ňom pôsobili, tlaku svetla a gravitácie, tak ostala len druhá, a jej účinkom sa miesta s nepatrne vyššou hustotou začali stláčať. Tak vznikli galaxie, hviezdne ostrovy, ktoré dnes zapĺňajú priestor okolo nás.
Plyn z dávnych dôb osvetľuje aj dnes našu Zem. Vidíme z neho iba tenkú vrstvu z doby štyristotisíc rokov po veľkom tresku, keď ešte svietil, ale už-už prestával. Čosi ako poslednú fotografiu z rodinného albumu. Vypĺňal vtedy, rovnako ako predtým a potom, celý vesmír, ale jediná z jeho vrstiev mala správnu polohu aj veľkosť, aby svetlo z nej dorazilo práve k nám práve teraz. Iné vrstvy nevidíme, bližšie preto, že už nesvietili, a vzdialenejšie preto, že svetlo z nich sa cestou k nám pohltilo. Takže áno: šupka z horúceho plynu, ktorú sme si vyfantazírovali, naozaj obklopuje Zem – aj keď namiesto „obklopuje“ by bolo priliehavejšie povedať „obklopovala“, a namiesto „Zem“„miesto, kde je dnes Zem“.
Za jasných nocí máme nad sebou hviezdnu oblohu, priepasť priestoru siahajúcu k ďalekým galaxiám, z ktorých vidno na Zemi len fliačky svetla v najväčších ďalekohľadoch. Plynná šupka z čias, keď ešte nijaké galaxie ani hviezdy neboli, sa rozprestiera za touto priepasťou ako druhá, neviditeľná obloha.
Horúci plyn mal v posledných okamihoch, keď ešte svietil, „iba” tritisíc stupňov nad absolútnou nulou. Samozrejme, taký horúci ho nevidíme, to by bola druhá obloha jasná takmer ako slnko. Vtip je v tom, že vesmírny priestor sa rozpína – opäť Einsteinov výklad gravitácie! – a keď sa svetlo šíri v takom priestore, vlny, z ktorých sa skladá, sa naťahujú. To sa dialo aj so svetlom z druhej oblohy, keď putovalo na Zem. Jeho vlnová dĺžka vzrástla. Podstatne vzrástla. Silné svetlo s maximom v blízkej infračervenej oblasti sa tak zmenilo na slabý rádiový šum – kozmické mikrovlnné pozadie.
Vedci prvýkrát zachytili žiarenie kozmického pozadia pred päťdesiatimi rokmi. Časom v ňom objavili malé odchýlky od rovnomerného rozdelenia na oblohe, pozostatky výkyvov v hustote prvotného plynu. To je priam bájny pirátsky poklad, ak chceme vedieť, aký je vesmír starý a z čoho je zložený. No a teraz sa ukázalo, že v truhlici s pokladom bola ešte jedna priehradka.
.kde polárne líšky dávajú dobrú noc
Keď budete niekedy na južnom póle, nemali by ste obísť nenápadnú modrú budovu na podstavci z kovových trubiek, ktorá má navrchu biely lievik. Je bokom od hlavného bloku tamojšej stanice, pri veľkom ďalekohľade, ktorý si urobil meno podrobnou mapou vzdialených končín vesmíru. V tom lieviku je iný ďalekohľad, podstatne menší, no tiež už zapísaný do histórie. Prístroj, ktorý zachytil signál z Veľkej gravitačnej antény.
Experiment, o ktorom je reč, sa volá BICEP2. (Môže to znamenať aj „sval na ruke“, hoci ten sa správne povie „biceps“.) Začal sa, keď na stanicu prišli astronómovia-polárnici v červených vetrovkách s výplňou z husacieho páperia a kapucami z kojotej srsti, a priniesli nový ďalekohľad, rúru dlhú okolo troch metrov a s priemerom necelý meter. Potom ostalo len čakať. Nie dlho, tri noci. Bolo to na póle, tak polárne.
Meranie vyzeralo tak, že ďalekohľad stále znovu prechádzal po malom obdĺžniku na nebi a zaznamenával údaje o veľmi slabých milimetrových vlnách, ktoré stade prichádzali. Aké údaje? V ohniskovej rovine ďalekohľadu, ochladenej na štvrť stupňa nad absolútnou nulou – aj na južný pól slušný mráz! –, boli naukladané malé doštičky s anténkami v dvoch navzájom kolmých smeroch. Na každej z nich boli dva prístrojčeky, ktoré zisťovali – z tepla, ktoré sa uvoľňuje pri prechode prúdu vodičom – aká časť energie vĺn z daného miesta na nebi pripadá na jeden smer a aká na druhý. Po mnohých a mnohých meraniach sa tak mohlo o každom mieste z vybraného obdĺžnika povedať: v tomto smere je energia vlny trošilinku väčšia a v tomto smere trošilinku menšia. Hovorí sa tomu polarizácia žiarenia. Aká tá polarizácia je, to sa dá znázorniť čiaročkou natočenou v smere, v ktorom energia prevláda, tým dlhšou, čím je rozdiel energií väčší.
Úlohou experimentu BICEP2 bolo zmerať čo najpresnejšie polarizáciu žiarenia kozmického pozadia vo vybranej časti oblohy a zistiť z nej, či na plynnú šupku, z ktorej k nám toto žiarenie prichádza, dopadali gravitačné vlny. Hľadalo sa zakrúcanie čiaročiek na mape do špirál. (Prečo? O tom možno viac v druhom článku.) Rovnaké meranie v rovnakom čase robila družica Planck. Lenže z nej zatiaľ výsledky neprišli. A polárnici tie špirály našli. Tam-ta-da-dááá!
.nejasná správa o začiatku sveta
Keď prišla zvesť o objave z južného pólu, písalo sa, že je to „dymiaca sa pištoľ“ kozmologickej inflácie. Dôkaz, že naozaj, ako tvrdí obľúbená teória kozmológov, náš vesmír sa nepatrný zlomok sekundy po veľkom tresku mnoho- a mnohokrát nafúkol. Dá sa povedať, že gravitačné vlny „vidíme“ cez okuliare teórie už vtedy. No pozoruhodnejšie je, že ich „vidíme“ bez optickej pomôcky, očami, ktorými sa dívame na oblohu za slnečného dňa, v čase štyristotisíc rokov po veľkom tresku. Plyn, ktorý rozkmitali, nie je menej skutočný než vzduch, z ktorého je tá obloha. Je ďaleko, ale práve to z neho robí skvelú gravitačnú anténu. Je to čosi podobné, ako keď prvok hélium vedci našli najprv na Slnku a až potom na Zemi. Zo Zeme na Zem okľukou cez kozmický priestor, alebo – čo nemáš doma, nájdeš vo vesmíre!
.autor je fyzik.
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.