Průlom v oblasti gravitačních vln by mohl přepsat naše znalosti o vesmíru

Nová technologie adaptivní optiky má změnit detekci gravitačních vln a umožnit detektoru LIGO a budoucím observatořím, jako je Cosmic Explorer, dosáhnout nových výšin. Cosmic Explorer je koncept observatoře nové generace, který výrazně prohloubí a zpřesní pohled lidstva na vesmír pomocí gravitačních vln. Díky korekci zkreslení zrcadla umožní tento průlomový objev dosáhnout extrémních výkonů laseru, což vědcům pomůže prozkoumat nejranější okamžiky vesmíru a zpřesnit naše znalosti o černých dírách, a také o časoprostoru.

Rozšíření dosahu observatoří gravitačních vln
Nedávná studie publikovaná v časopise Physical Review Letters představuje průlom v optické technologii, který by mohl výrazně rozšířit dosah observatoří gravitačních vln, jako je LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Výzkum vedený Jonathanem Richardsonem z Kalifornské univerzity v Riverside ukazuje, jak by tento pokrok mohl nejen zlepšit současné detekční schopnosti, ale také položit základy pro observatoře příští generace.

Od své první detekce v roce 2015 přineslo LIGO revoluci v pozorování vesmíru. Budoucí modernizace jeho čtyřkilometrových detektorů spolu s plánovanou výstavbou 40kilometrového průzkumníka mají za cíl rozšířit detekci gravitačních vln na nejranější okamžiky vesmírné historie – ještě před vznikem prvních hvězd. Dosažení tohoto cíle však vyžaduje zvýšení výkonu laseru nad jeden megawatt, což značně přesahuje současné možnosti LIGO.

Na připojeném obrázku je umělecké ztvárnění observatoře Cosmic Explorer, což je koncept observatoře nové generace, který výrazně prohloubí a zpřesní pohled lidstva na vesmír pomocí gravitačních vln. Jedná se o plánovaný příspěvek USA do celosvětové sítě pozemních observatoří nové generace pro detekci gravitačních vln. Koncepce projektu Cosmic Explorer zahrnuje dvě zařízení, jedno o straně 40 km a druhé o straně 20 km, z nichž každé obsahuje jeden detektor ve tvaru písmene „L“.

Studie představuje nový systém adaptivní optiky s nízkým šumem a vysokým rozlišením, který má toto omezení překonat. Tato technologie koriguje zkreslení v masivních 40kilogramových zrcadlech LIGO, ke kterému dochází při zvyšování výkonu laseru a zahřívání systému. Díky tomu, že tento průlom umožňuje dosáhnout extrémních úrovní výkonu laseru, může výrazně zvýšit citlivost detektorů gravitačních vln a přiblížit nás k odhalení nejvzdálenějších signálů z vesmíru.

Co jsou gravitační vlny?
Gravitační vlny představují nový způsob pozorování vesmíru. Předpovídají je rovnice obecné teorie relativity. Když se ve vesmíru zrychlují nebo srážejí hmotné objekty, šíří se narušení časoprostoru rychlostí světla jako vlny v rybníku. Tato narušení jsou gravitační vlny a stejně jako elektromagnetické vlny nesou energii a hybnost. Nyní máme mnoho informací o extrémních astrofyzikálních objektech, jako jsou černé díry, které je vytvářejí, a o fyzice základní povahy prostoročasu, kterým tyto vlny putují, aby se k nám dostaly.

Jak funguje LIGO?
LIGO je jedním z největších vědeckých zařízení na světě. Skládá se ze dvou laserových interferometrů o rozměrech 4 x 4 kilometry. Jeden z těchto interferometrů se nachází ve vnitrozemí státu Washington, druhý u Baton Rouge v Louisianě. Tato sesterská pracoviště pracují v tandemu a pasivně naslouchají jakémukoliv narušení časoprostoru, které by se náhodou mohlo šířit Zemí jako gravitační vlna.

Zařízení LIGO dosud zaznamenalo přibližně 200 událostí, kdy se srazily a splynuly kompaktní objekty o hvězdné hmotnosti. V drtivé většině případů se jednalo o splynutí dvou černých děr, ale pozorovali jsme také splynutí neutronových hvězd. Doufám, že jednoho dne objevíme nějaký zdroj, který bude zcela neočekávaný a nepředvídaný. Pokud se podíváte na historii astronomie, pokaždé, když jsme vyvinuli elektromagnetické teleskopy, které dokážou pozorovat jinou vlnovou délku světla, než jaká nebyla nikdy předtím pozorována, vidíme vesmír doslova v novém světle a téměř vždy jsme objevili nové typy objektů viditelných v tomto pásmu vlnových délek, ale ne v jiných. Doufám, že totéž platí i pro gravitační vlny.

Nová adaptivní optická zařízení jsou navržena tak, aby na povrch optického jádra o průměru 34 cm v detektoru LIGO přiváděla prstencovité cílené ohřívací vzory a kontrolovala tak efekt rostoucího tepelného zkreslení při zvyšování výkonu laseru směrem k megawattovému měřítku.

Co je Cosmic Explorer?
Cosmic Explorer je americká koncepce observatoře pro detekci gravitačních vln nové generace. Bude desetkrát větší než LIGO, tedy bude mít 40 x 40 kilometrů dlouhá ramena interferometru. Bude to největší vědecký přístroj, jaký byl kdy postaven. Při své projektované citlivosti tyto detektory uvidí vesmír v dřívějších dobách, než kdy se předpokládá, že vznikly první hvězdy, kdy byl vesmír starý asi 0,1 % svého současného stáří. Budeme tak moci vidět snímek vesmíru ve velmi raném časovém období.

Zdroj: https://scitechdaily.com/this-gravitational-wave-breakthrough-could-rewrite-what-we-know-about-the-universe/

autor: František Martinek