Distribuované výpočty v astronomii - 4. díl - Einstein@home

Einstein způsobil revoluci v našem chápání vesmíru a určil další směr vývoje fyziky ve 20. století. Teď, 50 let po jeho smrti a 100 let od publikování speciální teorie relativity, máme možnost potvrdit jednu z nejdůležitějších Einsteinových předpovědí.

Představte si kutálející se kouli ve středu trampolíny. Váha koule způsobuje, že trampolína je ve středu prohnutá. Lehké těleso, jako např. tenisový míček na kraji trampolíny, se rozběhne po zakřivené dráze směrem k těžké kouli ve středu - podobně jako planeta obíhající Slunce.
Prohnutí trampolíny pod těžkou koulí znázorňuje, jak těžká tělesa zakřivují časoprostor. Cesta, kterou se pohybuje tenisový míček, znázorňuje těleso putující nejkratší možnou cestou po zakřiveném časoprostoru. Newton si myslel, že gravitace je záhadnou sílou působící mezi dvěma objekty, ale Einstein zjistil, že je to zakřivení časoprostoru.
Jednou z předpovědí této teorie je skutečnost, že musí docházet k ohybu světla probíhajícího kolem hmotného objektu. Těžká tělesa ve svém okolí zakřivují prostor a čas a všechno (včetně světla) musí jít po nejkratší cestě tímto časoprostorem.
V roce 1919 tuto předpověď testoval během zatmění Slunce Arthur Eddington, a to měřením ohybu světla hvězd kolem Slunce. Jeho výsledky se shodovaly s Einsteinovou předpovědí. Bylo to první experimentální potvrzení Einsteinovy teorie a okamžitě ho proslavila mezi vědci i veřejností.
 

Gravitační vlny

Abychom pochopili potřebu existence gravitačních vln v obecné teorii relativity, musíme si položit otázku - Co by se stalo, kdyby Slunce najednou zmizelo?

Podle obecné teorie relativity planety obíhají Slunce, protože se pohybují po nejkratší možné cestě přes zakřivený časoprostor (vzpomeňte si na tenisový míček). Jestli by Slunce najednou zmizelo, časoprostor v jeho okolí by se změnil. Podle Einsteinovy teorie by časoprostor v okolí Merkuru změnil tvar dřív než časoprostor kolem Pluta, a Merkur by odletěl jako první. Tyto deformace časoprostoru se šíří jako tzv. gravitační vlny.
Gravitační vlny se dají lehce představit jako kruhy na hladině jezera, do kterého jste předtím hodili kámen. Když kámen zasáhne hladinu, voda v blízkosti dopadu se rozčeří a tato deformace se bude šířit do okolí. Podobně změna hmotnosti nebo rychlosti těžkého tělesa narušuje okolní časoprostor a tento efekt se šíří dále jako gravitační vlny.

Předtím než Einstein vyšel na světlo světa se svou teorií, lidé si mysleli, že vesmír má časový a prostorový rozměr, které jsou naprosto nezávislé a navzájem se neovlivňují. Avšak Einstein to všechno změnil. Ukázal svět jako dynamický systém, kde hmota, prostor a čas navzájem souvisí. Gravitační vlny jsou vzrušující, protože umožňují tuto abstraktní představu hmoty ovlivňující časoprostor změřit.

Gravitační vlny a vesmír

Gravitační vlny způsobují během své pouti vesmírem změnu časoprostoru. Znamená to, že tvar těles, přes která gravitační vlna prochází, se mění a pulzuje. Představte si gravitační vlnu procházející přes knihu - kniha se bude natahovat a zužovat, natahovat a zužovat atd. V konkrétním čase bude např. vzdálenost mezi přední a zadní částí knihy zvětšená, a vzdálenost mezi vrchem a spodem knihy zmenšená.
Síla gravitační vlny určuje jaká velká bude deformace tělesa. To závisí od typu a velikosti událostí, při které vlny vznikly. My jsme zatím schopni zachytit gravitační vlny pouze z velkorozměrových procesů.
Abyste měli představu o velikostech, o nichž hovoříme, vlna vyvolaná srážkou dvou černých děr způsobí změnu vzdálenosti přibližně 10^-18 metru na kilometr. Jinými slovy, gravitační vlna ze srážky by změnila výšku Eiffelovy věže o méně než jednu tisícinu průměru protonu. To je důvod, proč je tak těžké gravitační vlny zachytit!
Naštěstí jsou vědci dnes již schopni postavit přístroje, které tak přesná měření dokáží realizovat.

Einstein tvrdil, že žijeme ve vesmíru plném gravitačních vln. Vyslovil teorii, že explodující hvězdy, srážející se černé díry a jiné extrémní procesy vytvářejí vlny, které dokážou měnit prostor a čas. Doposud jsme tyto vlny nebyli schopni zaznamenávat, protože to vyžaduje přístroje dostatečně citlivé na zkoumání nesmírně miniaturních jevů. Je to podobné, jako by se měnila vzdálenost Země od Slunce o průměr atomu, a my se tuto změnu pokoušeli měřit.

Vývoj technologie však dospěl do stadia, kdy jsme schopni potvrdit Einsteinovy předpovědi. Máme detektory s dostatečnou citlivostí na zaznamenání gravitačních vln. Dva z nich, Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) ve Spojených státech a GEO 600 v Německu spolupracují na nalezení gravitačních vln z hvězd a černých děr. Tyto experimenty vyžadují zpracování ohromného množství údajů, a proto vědci z LIGO vytvořili projekt Einstein@home.

Gravitační vlny vznikají při změně zakřivení časoprostoru. Tvar časoprostoru sice závisí jenom na tom, jak je v něm rozložena hmota, ale gravitační vlny jsou způsobeny událostmi, které rozložení hmoty mění. Gravitační vlny, které dokážeme zachytit, musí vzniknout při procesech s velkou energií, protože časoprostor není příliš elastický. Gravitační vlny také (podobně jako kruhy na vodě) postupně se vzdalováním se od místa jejich vzniku ztrácejí na síle. To je další důvod, proč je tak těžké vlny zachytit. Potřebujeme velká tělesa pohybující se téměř rychlostí světla, protože tyto jevy se odehrávají daleko od Země. Gravitační vlny, o kterých jsou vědci přesvědčeni, že je pomocí detektorů LIGO a GEO 600 můžeme zachytit, pocházejí z objektů jako jsou dvojice neutronových hvězd, supernovy, a srážející se černé díry.

Nepřímý důkaz gravitačních vln

První důkaz existence gravitačních vln byl získán na základě pozorování dvou po spirále se k sobě přibližujících hvězd, objevených astronomy z observatoře v Arecibo v roce 1974. Výzkumníci pozorovali hvězdy mnoho let a zjistili, že doba jejich vzájemného oběhu se pomalu zkracuje. Joseph Taylor a Russel Hulse měli podezření, že toto zkracování je způsobeno tím, že hvězdy ztrácejí energii vyzařováním gravitačních vln. Matematicky dokázali, že oběžná doba hvězd se bude zkracovat přesně takovou rychlostí, jakou pozorovali. Za tuto práci v roce 1993 dostali Nobelovu cenu za fyziku. Taylor a Hulse použili k vypracování své teorie radiové signály, zaznamenávané největším radioteleskopem na světě, umístěném v Arecibo v Portoriku.

Zdroje gravitačních vln:

1) Binární systémy
Binární systémy, které mohou vyzařovat gravitační vlny, mohou pozůstávat z hvězd, černých děr a nebo jejich kombinace. Obě tělesa se k sobě postupně po spirále přibližují, protože ztrácejí energii díky vyzařování gravitačních vln. Čím blíže se k sobě hvězdy nacházejí, tím silnější vlny vyzařují. Když obě tělesa splynou, vyšlou intenzivní signál v podobě obrovských gravitačních vln.

2) Supernovy
Supernova je ohromná exploze, kterou končí svůj život velice hmotné hvězdy. Když masivní hvězdy spálí své palivo, zhroutí se do sebe a vnější vrstvy jsou prudce odvrženy do okolního prostoru. Není-li kolaps perfektně sférický, supernova vyzáří intenzivní záblesk gravitačních vln.

3) Neutronové hvězdy
Po výbuchu supernovy může zbýt husté, rychle rotující jádro složené převážně z neutronů, nazývané neutronová hvězda. Rychle rotující neutronová hvězda, která nemá tvar dokonalé koule, bude vyzařovat gravitační vlny. Některé z neutronových hvězd se stanou pulzary, které vysílají do vesmíru silné radiové pulzy. Také ony mohou vysílat gravitační vlny. Tyto gravitační vlny (na rozdíl od ostatních) jsou vyzařovány stabilně a dlouhodobě mnoho let. To umožňuje projektu Einstein@home pátrat po takovýchto vlnách i přesto, že jsou slabší než ty z binárních systémů či černých děr.

4) Černé díry Je-li kolabující hvězda velmi hmotná, projde fází neutronové hvězdy a pokračuje v kolapsu - vznikne černá díra. Její gravitační přitažlivost je natolik velká, že nic z ní nemůže uniknout. Jediná informace, kterou černá díra vysílá, jsou gravitační vlny.

5) Kosmické pozadí tvořené gravitačními vlnami
Vědci také věří, že se jim v budoucnu podaří zachytit gravitační vlny, které tu zůstaly z počátků vesmíru. Vyžaduje si to však vícenásobné detektory, protože tyto vlny jsou ještě slabší než ty z neutronových hvězd. Navíc takové vlny nepřicházejí z jednoho směru, nýbrž jsou rozloženy po celé obloze, podobně jako je to v případě kosmického mikrovlnného pozadí. Jejich význam je však velký, poskytnou nám totiž informaci o tom, jak vesmír vypadal bezprostředně po jeho vzniku.

Detektory LIGO a GEO 600

LIGO a GEO 600 jsou zařízení určená k měření změn v prostoročasu zvaných gravitační vlny. Zaznamenat gravitační vlny je velice náročné, protože jsou nesmírně slabé.
LIGO a GEO zaznamenávají gravitační vlny pomocí měření změny světelného vzoru vytvořeného splynutím dvou laserových paprsků. Tento vzor závisí na vzdálenosti, kterou laserový paprsek přeletěl, a ta se mění, jestliže přes detektor právě přechází gravitační vlna.
Citlivost takového typu detektoru, nazývaného laserový interferometr, je úměrná vzdálenosti, kterou laserový paprsek přeletěl. Jelikož se pátrá po velice slabých signálech, LIGO a GEO potřebují mít velké rozměry.


Observatoř LIGO:
Jedná se o jeden z prvních detektorů nové generace. Většina dnešních systémů pro přímou detekci gravitačních vln je založena 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 právě ambiciózní projekt LIGO (Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory). Projekt vznikl ve spolupráci univerzit Caltech (California Institute of Technology) a MIT (Massachusetts Institute of Technology). Jedná se o národní projekt financovaný Nadací pro vědu (The National Science Foundation). Je umístěna na dvou místech USA:

1) Hanford

2) Livingston

V Livingstonu se nacházejí interferometr se 4 kilometry dlouhými rameny uzavřenými ve vakuových tunelech s průměrem 1,2 metru. V Hanfordu je umístěn stejný interferometr s rameny o délce 2 km. Oba interferometry LIGO pracují společně jako jedno zařízení. Je to proto, že změny v intenzitě laserových paprsků, minizemětřesení a jiné místní poruchy způsobují signály podobné těm z gravitačních vln. Místní poruchy však registruje vždy jenom jeden z interferometrů, zatímco signály z gravitačních vln musí zaregistrovat oba současně. Porovnání údajů z obou detektorů tedy vědcům pomáhá rozeznat, které signály pocházejí z poruch a šumů. LIGO začalo s měřeními v roce 2003. Observatoř je největším a nejcitlivějším detektorem gravitačních vln jaký byl kdy vybudován. Citlivost LIGO bude v následujících letech postupně zvyšována a to sérií vylepšení, které mají být ukončeny v roce 2011. Vylepšené LIGO bude mít nový typ zrcadel, silnější lasery a lepší izolaci od rušivých signálů.

Detektor GEO 600:

Dle Alicia M. Sintes a Albert Einstein Institutu nebyla krajina zvaná Ruthe, blízko Hannoveru v Německu, vybrána náhodou. Místo pro umístění britsko-německého detektoru gravitačních vln GEO-600 je pokojné a seismologicky klidné. Na rozdíl od Hanfordu a Livingstonu, kde hostuje jeho větší bratr LIGO, zde není žádné nebezpečí zemětřesení nebo požárů a radioaktivita je také velmi nízká. V polovině roku 2002 GEO dosáhnul plné citlivosti. Ačkoli tunely GEO měří jen 600 metrů, oproti LIGO (4 km), vyznačuje se pokročilým zavěšením zrcadel a optiky, které jsou plánované pro začlenění do pokročilejšího LIGO II.
Použití takové progresivní technologie dělá citlivost GEO téměř srovnatelnou s první fází projektu LIGO a proto má srovnatelnou šanci na sledování gravitačních vln. Mimoto GEO je první mezi interferometry, který je schopen operovat v nízkém pásmu vln a tím mít lepší citlivost na periodické signály než větší projekty (LIGO a francouzsko-italský VIRGO).

Proč se vůbec snažit gravitační vlny najít?

LIGO a GEO jsou složité experimenty vyžadující velké finanční prostředky a mnoho času, jak ostatně dokazuje množství dat, zpracovávaných v projektu Einstein@home. Povede-li se však gravitační vlny konečně zachytit, bude to znamenat úplně nový pohled na náš vesmír.
Téměř všechny znalosti, které o vesmíru dosud máme, jsme se totiž dozvěděli díky pozorování světla. Světlo je např. pro nás jediný zdroj informací o vzdálených galaxiích. Gravitační vlny budou dalším zdrojem informací o vzdálených objektech. Poskytnou nám informace také o objektech, které nevyzařují světlo, jako např. o černých dírách, a o tom, jak se masivní objekty pohybují a srážejí. Podle nejnovějších pozorování družice WMAP se vesmír skládá až z 96% z nesvítící hmoty, takže si dovedete představit, jaký význam to může pro naše pochopení vesmíru mít. Pozorováním gravitačních vln se v budoucnu také můžeme dozvědět, jak vypadal náš vesmír bezprostředně po svém vzniku.

Jedna z možností jak pochopit důležitost zachycení gravitačních vln, je představit si vesmír jako film a gravitační vlny jako zvuk. Prohlížením filmu pomocí světla vidíme, co se děje. Posloucháním filmu pomocí zvuku slyšíme, co se děje. Ačkoliv nám každá z těchto možností dává jistou informaci o hlavním ději, opravdu porozumět filmu můžeme až tehdy, když ho budeme vidět i slyšet současně. To je důvod, proč jsou vědci tak nadšeni možností pozorovat vesmír pomocí světla a gravitačních vln současně.

Vědci mají přibližnou představu, co by mohli sledovat nasloucháním gravitačním vlnám, avšak vzrušuje je také možnost odhalení a pozorování dějů, o kterých nikdy předtím netušili. Zapojte se do projektu Einstein@home a buďte součástí tohoto důležitého a vzrušujícího výzkumu! Můžete se stát součástí výzkumu, který započal Albert Einstein a trvá již skoro 100 let. S využitím distribuovaných výpočtů pro zpracovávání dat z interferometrů, se počítalo již při jejich stavění. Nyní je to už převážně na našich domácích počítačích, zda vynaložené prostředky a vědecké výzkumy budou zhodnoceny.

Jak se můžete zapojit do tohoto výzkumu?

Postup je naprosto jednoduchý. Stačí mít k dispozici počítač s připojením na internet a postupovat například dle tohoto návodu -->>.
Projekt Einstein@home je již léta v plném provozu a netrpí žádnými častými výpadky v rozesílání páce.
Czech National Team v projektu Einstein@home
Připojit se k Czech National Teamu na Einstein@Home



Zdroje: Při přípravě tohoto článku, bylo čerpáno ze stránek projektu einsteinathome.org a z české subdomény o projektu einstein.czechnationalteam.cz


Autor: Vykouřil Dušan (forest)
Gramatická korektura: Jaroslav Mikšovský (JardaM)