Objev srovnatelný s tím, kterého jsme se dočkali v nedávné době, tedy s první detekcí gravitačních vln, se ve fyzice nepřihodí příliš často. Nastane nyní éra oslav, nebo se vzedme vlna další horečné činnosti? Správná je naštěstí druhá možnost. Pro úplnost si nejprve zopakujeme hlavní údaje, které v našem minulém příspěvku mohly zaniknout, a doplníme je o další informace. Pak se zavrtáme pod zem a budeme sledovat nové aspekty fenoménu zemětřesení. Nakonec se vrátíme na oblohu a povíme si něco o nově zjištěných souvislostech mezi vlastnostmi slunečního větru a změnami slunečního magnetického pole, jež by mohly mít podstatný vliv na - dnes tak často nesprávně prezentované - klimatické změny na Zemi.
Einstein měl zase pravdu aneb jak LIGO změní současný pohled na vesmír
Fyzika si aktuálně připomíná sté výročí existence obecné teorie relativity. Aby toho nebylo málo, LIGO experimenty přidaly „třešničku na dort“ svým oznámením první detekce gravitačních vln. Informace o tomto objevu byla zveřejněna na tiskových konferencích v USA i v Evropě a následně byla publikována v renomovaném časopise Physical Review Letters.
Konkrétně se jednalo o detekci signálu ze dvou spojujících se černých děr. Signál byl zachycen 14. září 2015 dvěma LIGO detektory v Hanfordu a Livingstonu a jeho oficiální označení je GW150914. Zajímavé je, že signál byl detekován ještě před úplným dokončením obou amerických detektorů. Detektory přesto pracovaly bezchybně, poměr signál-šum byl 24 a statistická platnost větší než 5 σ. Signál dosáhl obou detektorů v rozmezí sedmi milisekund, což odpovídá rychlosti šíření světla a vzdálenosti mezi oběma detektory. Nekonečné debaty o tvaru gravitačních vln nyní mohou být díky tomuto objevu nahrazeny reálnými daty. Hmotnosti spojujících se černých děr byly 36, resp. 29 hmotností Slunce. Vzdálenost 410 Mpc (megaparseců), čemuž odpovídá rudý posuv kolem 0,1. Hmotnost konečné černé díry byla 62 hmotností Slunce, spinový parametr 0,67. V souvislosti s detekováním signálu proběhly dva testy obecné relativity. První test potvrdil, že post-newtonovské koeficienty fázování vln nevykazují žádné odchylky od obecné teorie relativity. Druhý test pak prokázal absenci anomálního rozptylu, jenž by se musel vyskytnout, pokud by hypotetické gravitony měly nenulovou hmotnost. Dále se zjistilo, že spodní hranice Comptonovy vlnové délky hypotetického gravitonu by byla 1013 km.
Výsledky a údaje z LIGO už nyní astronomům a kosmologům poskytují informace o vesmíru, jež byly dosud neznámé. Z výsledků vyplývají nové vzrušující otázky týkající se binárních černých děr. Vznikající astronomie gravitačních vln může přinést nové poznatky o době vzniku vesmíru.
Fyzici, jakým je například veterán LIGO výzkumu Kip Thorne, jásají nad tím, že výsledky spolupráce dvou observatoří otevřely nové okno do vesmíru. Vždy, když se v minulosti něco takového stalo, objevilo se současně něco nového a neočekávaného. Příchod radioastronomie například odkryl nejjasnější objekty ve vesmíru, jako jsou kvasary a pulsary. Ukázalo se, že nejproduktivnějšími zdroji zvlnění časoprostoru jsou ty nejjednodušší objekty ve vesmíru. Pokud jde o tyto objekty, není mnoho parametrů, které je potřeba zjišťovat, protože například dynamika černých děr je určena převážně jejich hmotností. Neil Turok z Jihoafrické republiky také poukazuje na to, že gravitační vlny by mohly přispět k hlubšímu porozumění fundamentální síle gravitace, která je dosud sama o sobě hádankou. Gravitační vlny mohou přinést mnoho informací o vlastnostech časoprostoru, o němž se toho zatím ví velmi málo. Na rozdíl od vln elektromagnetických se gravitační vlny dokáží volně šířit horkou plazmou raného vesmíru a mohly by vědcům umožnit, aby se podívali zpět na zlomeček (miliontinu) sekundy po velkém třesku. Potvrzení gravitačních vln přichází pro vědce ve správný okamžik. Turok a další fyzici pracují na nové teoretické koncepci rázových vln, které podle nich vznikaly miliontinu sekundy po velkém třesku. Pokud rázové vlny skutečně existují, měly by ovlivňovat měřené změny hustoty na kosmickém pozadí a mohly by být detekovány pouze pomocí gravitačního záření. LIGO a jeho následovníci, jako je LISA Pathfinder či další vesmírné experimenty, by mohly signál šokových vln najít.
Zajímavou perličkou je, že uvedené LIGO detektory nezůstanou osamocené. Indická vláda dala ve své zemi svolení ke stavbě podobného detektoru, který se bude jmenovat LIGO-India. Indie se tak připojí k síti LIGO observatoří, která aktuálně zahrnuje USA, Německo, Itálii a Japonsko. LIGO-India bude úzce spolupracovat s MIT a Kalifornskou technickou univerzitou. Indická vláda se k problému staví s velkým porozuměním, protože si je vědoma, že výzkum tohoto typu napomůže rozvoji průmyslu, bude inspirovat indické studenty a vědecké pracovníky k využívání nejnovějších vědeckých poznatků a vědeckému výzkumu poskytne nové podněty.
Nová indická observatoř má ještě jeden význam, tentokrát globální. Každá nová observatoř zvyšuje pravděpodobnost zachycení dalších signálů. Celosvětová síť observatoří také umožní lokalizovat zdroj gravitačních vln, zatímco pouhé dva detektory určí „jenom“ směr, odkud gravitační vlny přicházejí. Přesné určení polohy zdroje vyžaduje kombinovat data z geograficky separovaných detektorů. Kromě dvou observatoří v USA mají astronomové možnost získávat data z detektoru GE0600 v Německu, který už je v chodu, a z detektorů Virgo v Itálii a KARGA v Japonsku, jež se nacházejí ve stádiu dokončování. Nový detektor v Indii zkrátí vzdálenost mezi existujícími detektory a zpřesní lokalizaci zdroje gravitačních vln, a to podle odhadů až desetkrát.
Kruhový laser odhaluje velmi malé seismické pohyby
Laserový gyroskop, umístěný hluboko pod zemí v pohoří Gran Sasso ve střední Itálii, umožnil provést první měření rotačního pohybu, který generují seismické vlny procházející zemskou kůrou. Možnost takových měření by mohla přispět k hlubšímu porozumění tlakům, jež na horniny působí před zemětřesením. Tvrdí to fyzici, kteří taková měření provedli.
Zemětřesení uvolňují obrovská množství energie ve formě seismických vln. Tyto vlny se šíří ve všech směrech od epicentra zemětřesení a když dosáhnou zemského povrchu, mohou způsobit, že se povrch začne pohybovat podél jedné nebo více na sebe kolmých os, tj. nahoru a dolů, dopředu a dozadu a ze strany na stranu. Seismické vlny mohou ale generovat i mnohem menší rotační pohyby, při nichž povrch rotuje kolem jedné nebo více os. Podle geologů a vulkanologů jsou rotační pohyby velmi důležité, a to z mnoha důvodů. Porovnáním velikostí rotačního a translačního pohybu mohou fyzici zjistit rychlost seismických vln, a tak lépe určit druh horniny, kterou se vlny šíří. Měření rotace povrchu během silných zemětřesení by mohlo rovněž pomoci při vypracovávání přísnějších předpisů pro stavby budov v ohrožených oblastech. Kruhový pohyb může totiž být, stejně jako ten horizontální, velmi nebezpečný. Při projektování staveb se tento druh pohybu zatím nebere v úvahu, hlavním kritériem je, aby stavby odolávaly vertikálním silám. Běžné seismometry nejsou určeny k měření těchto kruhových pohybů, protože jsou založeny na principu kyvadla nebo závaží určité hmotnosti upevněného na pružině. Oba tyto typy reagují v podstatě stejně, pokud se ovšem stavba nebo jiný objekt pohybuje nahoru a dolů nebo se naklání. I když by se k měření kruhového pohybu dala použít soustava seismometrů, tento pohyb je většinou relativně malý, a tak by mohl být detekován jen při nejsilnějším seismickém signálu.
Kruhový laserový gyroskop je speciálně navržen pro měření rotačních pohybů. Toto zařízení zaznamenává velmi malé rozdíly ve frekvencích mezi dvěma laserovými paprsky, které se šíří opačnými směry optickým obvodem, jenž je napevno spojen se zemí. Vyrovnání frekvencí závisí na rychlosti otáčení zemského povrchu v daném místě. V průběhu minulých dvou dekád sice kruhové laserové gyroskopy v Německu, na Novém Zélandu a v USA zaznamenávaly rotační pohyby, ale protože jsou umístěny buď na zemském povrchu, nebo těsně pod ním, jsou jejich výsledky rušeny velkým množstvím signálů souvisejících hlavně s činností lidí.
V nejnovější práci předvedli italští fyzici výsledky z kruhového laserového gyroskopu, který nese označení GINGERino. Tento gyroskop má čtyři stěny o délce 3,6 m a je namontován na blok žuly. Zařízení je umístěno Gran Sasso National Laboratory, 1400 m pod zemským povrchem. Zde je chráněno před změnami tlaku vzduchu, jež by v blízkosti povrchu mohly způsobovat obtíže. GINGERino je předchůdcem plánovaného experimentu Gyroscopes in General Relativity (GINGER), v němž budou již použity nejméně tři navzájem kolmo umístěné kruhové laserové gyroskopy a který se pokusí prokázat některé dosud neměřitelné relativistické efekty. Pomocí GINGERino byli italští fyzici schopni zaznamenat zemětřesení magnitudo sedm, ke kterému došlo v červnu 2015 pod Atlantským oceánem. I když byl naměřený poměr signál-šum velmi malý, vědci byli schopni detekovat rotační pohyb generovaný seismickými vlnami v horninách obklopujících jejich laboratoř.
Výsledky z GINGERina jsou podle italských fyziků dokladem možnosti provést také dlouhodobý experiment s větším kruhovým laserovým gyroskopem, který bude nepřetržitě po dobu dvou až čtyř let zaznamenávat rotační pohyby zemského povrchu. Experiment by měl vědcům přinést informace o deformacích hornin způsobených postupným růstem energie na geologických poruchách, které předcházejí zemětřesení. Takové deformace mohou zahrnovat i rotační pohyby, takže pokud je k dispozici laboratoř s nízkým šumem v okolí, dalo by se uvažovat o možnosti studovat jevy upozorňující na nadcházející zemětřesení. To, že jsou fyzici schopni zaznamenávat rotační pohyby ze vzdálených zemětřesení v laboratoři hluboko pod zemským povrchem, je významným krokem směrem k úspěšnému předpovídání zemětřesení.
Vliv výchylek slunečního magnetického pole na kosmické paprsky
Američtí fyzici a astrofyzici využili dat ze sondy Voyager 1 a z nich odvodili novou přesnou formuli, která popisuje vliv Slunce na kosmické paprsky. Kosmické paprsky jsou tvořeny vysoce energetickými částicemi, které vznikají mimo sluneční soustavu a pohybují se vesmírem rychlostí blízkou rychlosti světla. Na studium vlastností kosmických paprsků se zaměřuje mnoho experimentů s cílem vnést trochu světla na některé z nejzapeklitějších jevů ve vesmíru. Astrofyzici doufají, že nově odvozený vztah zdokonalí analýzu údajů o kosmických paprscích a usnadní možnost určovat, jak jsou tyto částice ovlivňovány slunečním větrem.
Při odvážném letu horkovzdušným balonem v roce 1912 fyzik Victor Hess zjistil, že zemská atmosféra je neustále bombardována kosmickými paprsky. Během tohoto procesu se tvoří spršky sekundárních částic, které příležitostně dosáhnou dokonce až zemského povrchu. Kosmické paprsky se skládají převážně z vysoce energetických protonů a atomových jader. Jejich původ je dodnes fyzikální hádankou, i když nedávno získané údaje z Fermi Space Telescope ukázaly, že některé pocházejí ze supernov a jiné z kvazarů.
Prakticky všechna pozorování kosmických paprsků byla provedena v heliosféře. Heliosféra je bublina vytvořená slunečním větrem, do níž sice teoreticky mohou vniknout elektricky neutrální atomy z mezihvězdného prostoru, prakticky ale všechen materiál pochází ze samotného Slunce. Sluneční vítr se šíří ze Slunce všemi směry, u Země má rychlost 1 600 000 km/hod. Přibližně za oběžnou dráhou Pluta se tento vítr zpomaluje, protože naráží na plyny z mezihvězdného prostoru. Oblasti, kde se heliosféra setkává s mezihvězdnou hmotou, se říká heliopauza. Sluneční vítr je tvořen částicemi, ionizovanými atomy a vytváří se v něm magnetická pole. Slunce se otáčí kolem vlastní osy za 27 dní, proto se magnetické pole, přenášené slunečním větrem, stáčí do spirály. Proměnlivost magnetického pole Slunce se přenáší slunečním větrem až do zemské atmosféry a značně ji ovlivňuje, způsobuje například magnetické bouře.
Myšlenka slunečního větru se zrodila na počátku šedesátých let 20. století, kdy si fyzici uvědomili, že by kosmické paprsky mohly být modulovány magnetickým polem ve slunečním větru, a vypracovali vztahy, které tento efekt popisují („aproximace silového pole“). Tyto vztahy vycházejí ze zjištěné energie kosmických paprsků v okamžiku, kdy dosáhnou naší planety, a z energie kosmických paprsků v mezihvězdném prostředí, tedy mimo heliosféru. Nejdůležitější slabinou prvních aproximací je to, že neberou v úvahu silnou korelaci mezi sluneční modulací a změnami sluneční aktivity. Ve skutečnosti je modulace závislá na velikosti náboje a mění se s časem v průběhu měsíců až roků, a to aproximace nepředpokládá.
Pochopení vlivu sluneční modulace je jedním z vědeckých cílů experimentů PAMELA (Payload for Antimatter/Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics) a AMS (Alpha Magnetic Spectrometer), které studují kosmické paprsky. Díky podrobnému měření, prováděnému v rámci těchto dvou experimentů, mohou nyní fyzici s vysokou statistickou přesností určit, jak se v relativně krátkých časových úsecích mění spektrum kosmických paprsků. Nedávno získané údaje ze sondy Voyager 1, která velmi pravděpodobně opustila sluneční soustavu a je už za heliopauzou, představují první měření kosmických paprsků, která nejsou ovlivněna slunečním větrem.
Díky těmto pokrokům zpřesnili fyzici z univerzit v Baltimore a v Chicagu vztah pro modulaci a došli k závěru, že částice s různými náboji jsou různě ovlivněny polem, které je spojeno se slunečním větrem. Nový vztah totiž bere v úvahu dříve neznámé fyzikální jevy ve slunečním větru. Důležitými aspekty jsou také morfologie magnetického pole uvnitř heliosféry, energie částic v kosmickém záření a čas, který částice potřebují na to, aby se dostaly z mezihvězdné hmoty na Zemi.
Fyzici analyzovali data pocházející z mnoha balónových experimentů, z ASM-02, z experimentu PAMELA a z údajů vyslaných sondou Voyager 1 po dobu 24 let. Vzali také v úvahu údaje o slunečním větru nashromážděné během posledních dvou dekád, aby mohli zohlednit časovou závislost magnetického pole ve slunečním větru. To se nikdy předtím nedělalo.
Nově odvozený vztah pro sluneční modulační potenciál objasňuje to, že různé kosmické paprsky s různými náboji a energiemi reagují na časově proměnné magnetické pole ve slunečním větru. Od té doby, co se nepřetržitě monitorují vlastnosti slunečního větru, je možno v daném okamžiku určit, jaký bude sluneční modulační potenciál pro částice s určitým nábojem a energií. Čím více dat nasbírá během příští dekády AMS-02, tím více se budou odstraňovat nepřesnosti. Jedním z hlavních cílů experimentu AMS-02 je detekovat kosmické paprsky z antihmoty, o kterých se fyzici domnívají, že jsou produkovány anihilací částic temné hmoty. Fyzici také doufají, že jejich vztah pomůže zmenšovat soustavné nepřesnosti, které se objevují v údajích z experimentu AMS.
Původní materiály byly uveřejněny na preprintovém serveru arXiv, Physical Review D, Physics World a prakticky ve všech fyzikálních časopisech.
Další díly: