Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 36 – vyšlo 8. září, ročník 1 (2003)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Detektor gravitačních vln VIRGO dostavěn

Petr Kulhánek

Letecký pohled na detektor VIRGO

Po mnoho let se stavěl v blízkosti vesničky Cascina, 10 kilometrů od slavné Pisy, italský detektor gravitačních vln. Projekt je společnou akcí italské společnosti INFN (Instituto Nazionale di Fisica Nucleare) a francouzské společnosti CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique). Léta neupravované WWW stránky a téměř žádné zprávy o pokračování stavby dávaly tušit, že ne vše pokračuje podle původních ambiciózních plánů. Změnu přinesl až rok 2000, kdy v prosinci vznikla nadnárodní společnost pro řízení observatoře, Evropská gravitační observatoř (EGO - European Gravitational Observatory). Na WWW stránkách se začaly objevovat první kusé informace. Průlomem byl letošní rok. Překvapivé slavnostní otevření observatoře 23.7.2003 a perfektně upravené WWW stránky se všemi možnými informacemi. Dočkali jsme se! V Evropě máme velký funkční detektor gravitačních vln.

Obecná relativita - teorie gravitace publikovaná Albertem Einsteinem v roce 1916. Její základní myšlenkou je tvrzení, že každé těleso svojí přítomností zakřivuje prostor a čas ve svém okolí. Ostatní tělesa se v tomto pokřiveném světě pohybují po nejrovnějších možných drahách, tzv. geodetikách.

Gravitační vlna - periodicky se šířící zakřivení času a prostoru. Může vzniknout v okolí těles s nenulovým kvadrupólovým momentem, například kolem dvojice rotujících kompaktních hvězd. Právě tyto vlny by měly být nejběžnější a mít frekvenci zhruba 1 kHz.

VIRGO - největší evropský interferometr pro hledámí gravitačních vln s délkou ramen 3 km. Je umístěn u vesničky Cascina, 10 km od italské Pisy proslulé svou šikmou věží.

LIGO (Laser Interferometry Gravitation Observatory) - největší světový interferometr pro hledání gravitačních vln s délkou ramen 4 km. Postaveny jsou dva detektory stejného typu, jeden v Livingstonu a druhý v Hanfordu (USA).

LISA (Laser Interferometry Satellite Antenna) - budoucí projekt tří sond obíhajících kolem Slunce. Vzájemná vzdálenost sond bude 5 000 000 km a budou trvořit obří interferometr pro zjišťování gravitačních vln.

Gravitační vlny

Existenci gravitačních vln předpověděl Albert Einstein již v roce 1916. Jde o periodické zakřivení prostoru a času, které se šíří od svého zdroje, podobně jako například vlna zvuková nebo elektromagnetická. Je zde ale mnoho odlišností. Představte si tři tělesa v prostoru tvořící například pravoúhlý trojúhelník. Bude-li přes náš trojúhelník přecházet gravitační vlna, budou se tělesa "pohupovat" na zakřiveném prostoročase a periodicky se bude měnit jejich vzdálenost podobně jako vzdálenost tří lodí pohupujících se na mořských vlnách. V Pythagorově větě nebude čtverec přepony roven součtu čtverců odvěsen, vzdálenosti se budou periodicky měnit vlivem proměnnosti prostoročasu.

Gravitační vlna v okolí dvojice neutronových hvězd.

Neexistuje žádné prostředí, ve kterém by se gravitace vlnila, jako je tomu u zvukových vln. Rozvlněný je sám prostoročas. U elektromagnetických vln existují dva nezávislé mody vln skloněné o 90°. Podobně i gravitační vlny kmitají ve dvou nezávislých směrech, ale ty jsou skloněny jen o 45°. To souvisí s odlišným spinem (elektromagnetické pole má spin roven jedné, gravitační pole dvěma). Elektromagnetické vlny mohou vznikat u těles s dipólovým a vyšším momentem. To znamená, že kulově symetrické těleso nemůže být zdrojem elektromagnetických vln, osově symetrické těleso (dipól) ano. Zdrojem gravitačních vln nemůže být ani monopól ani dipól. Až teprve kvadrupólové rozložení látky může generovat gravitační vlny. Nelekejte se slova kvadrupól. Nejde o nic jiného, než o rozložení hmoty, které není symetrické vzhledem k bodu ani vzhledem k ose. Tyč rotující podél své osy nemá kvadrupólový moment. Tyč rotující kolmo na svou osu kvadrupólový moment má (rozložení látky není symetrické vzhledem k rotační ose) a může generovat gravitační vlny.

Nejjednodušším zdrojem gravitačních vln ve Vesmíru může být dvojice hvězd rotujících kolem společného těžiště. Aby měly gravitační vlny velkou intenzitu, je nutné aby obě hvězdy značně zakřivovaly prostoročas a byly dostatečně blízko. Ideální je například dvojice neutronových hvězd.

Nepřímá detekce gravitačních vln

Pomineme-li první neúspěšné pokusy o detekci gravitačních vln (Joseph Weber, 60. a 70. léta), došlo k první nepřímé detekci gravitačních vln u podvojného pulsaru 1913+16, který byl objeven již v roce 1974 radioteleskopem v Arecibu. Rozměry obou složek i celého systému jsou tak malé, že systém je téměř ideální relativistickou laboratoří.

Oběžná perioda podvojného pulsaru činí 7 h 45 min a zkracuje se o 76×10⁻⁶ s/rok díky vyzařování gravitačních vln. Zkracování periody objevili R. A. Hulse a J. H. Taylor a nepřímo tak detekovali gravitační vlny. Za tento objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 1993.

Současné detektory

Většina dnešních systémů pro přímou detekci gravitačních vln je postavena na laserové interferometrii. Laserový svazek je polopropustným zrcadlem rozdělen do dvou kolmých ramen, na jejichž koncích jsou dokonale vybroušená odrazná zrcátka na zavěšených testovacích tělesech. Právě pohyb těchto tělísek se sleduje. Odražené paprsky se rameny vrací přes rezonanční dutinu zpět, interferují a elektronicky jsou zaznamenávány změny interferenčních proužků. Citlivost těchto zařízení závisí na velikosti ramen a může dosáhnout velmi vysokých hodnot.

Největším systémem tohoto druhu na světě je nedávno dostavěný detektor LIGO. Projekt vznikl ve spolupráci univerzit Caltech (California Institute of Technology) a MIT (Massachusetts Institute of Technology). Jde o dvojici zařízení vzdálených 3200 km. První z nich se nachází v Hanfordu ve státě Washington a za jeho provoz je zodpovědná univerzita Caltech. Druhá stavba je v Livingstonu ve státě Luisiana a provoz řídí MIT. Dva interferometry existují proto, aby mohla být detekce gravitačních vln potvrzena koincidencí ze dvou nezávislých zdrojů.

Na podobném principu je postaveno na světě několik detektorů:

Detektor	Umístění	Velikost	Provoz
MARK 2	USA (Pasadena)	40 m	1991
TAMA 300	Japonsko (Tokyo)	300 m	1999
GEO 600	Německo (Hannover)	600 m	2000
LIGO	USA (Hanford, Livingstone)	4 km	2002
VIRGO	Itálie (Pisa)	3 km	2003
LISA	oběžná dráha kolem Slunce	5 000 000 km	2010

VIRGO

Nový evropský detektor dokončený nedlouho po obřím americkém detektoru LIGO dává naději přímé detekci gravitačních vln jak v USA, tak v Evropě. Odhady jsou optimistické, k detekci by mělo dojít v nejbližších měsících. Americký detektor ukončil testovací provoz a zahájil v tomto roce měření, italsko-francouzský detektor je od letošních prázdnin také v provozu. Asi nejvíce nám o právě otevřeném detektoru gravitačních vln řekne následující tabulka:

Délka ramen:	3 km
Vakuový tubus:	120 cm průměr, svařovaný, bez těsnění
Tlak po zahřátí na 150°C:	méně než 10⁻⁹ mbar
Parciální tlak uhlovodíků	10⁻¹³ mbar
Laser	Nd:YAG na 1064 nm, 20 W
Útlum seismických vln	10⁻¹¹ při 10 Hz
Frekvenční rozsah	10 Hz až 6 kHz
Citlivost při 10 Hz	h ~ 3×10⁻²¹
Citlivost při 1 kHz	h ~ 3×10⁻²³

Tubus detektoru VIRGO

Odkazy