Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Vědci poprvé zachytili gravitační vlny i gama záření

Umělecké ztvárnění splynutí dvou neutronových hvězd (obrázek: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet)

Astronomové si připisují jeden z největších vědeckých objevů této dekády. Minulý týden oznámili, že se jim podařilo detekovat nejen gravitační vlny, ale spolu s nimi i gama záření vzniklé při spojování dvou neutronových hvězd. K detekci došlo 17. srpna.

Gravitační vlny zachytila soustava teleskopů LIGO – Virgo a gama záření bylo detekováno na Fermi Gamma-ray Space Telescope. Na zdroj signálu, který se nachází ve vzdálené galaxii, astronomové z celého světa namířili desítky teleskopů a detektorů. Díky spolupráci všech těchto zařízení se podařilo zachytit signály od gama záření až po rádiové vlny, které jsou pozůstatkem spojení neutronových hvězd v dalekém vesmíru.

Mapka s několika desítkami vyznačených observatoří, které zachytily signál GW170817 (zdroj: LIGO–Virgo)

Signál gravitačních vln, tentokrát označený jako GW170817, je dosud tím nejsilnějším, který se podařilo zaznamenat oběma americkým detektorům v Hanfordu i v Livingstonu. O něco slabší signál zachytil detektor Virgo v Itálii. Spojující se neutronové hvězdy pravděpodobně vytvořily černou díru se silným výtryskem, který produkuje zaznamenané gama záření.

Informace poskytnutá třemi detektory astronomům umožnila vymezit oblast, odkud signál přichází, na 28 čtverečních stupňů. Velké množství teleskopů a jiných zařízení namířených do této oblasti pak přesně určilo zdroj záření i gravitačních vln. Tím je galaxie NGC 4993, která leží ve vzdálenosti 130 milionů světelných let od Země.

Signál gravitačních vln bylo možné měřit po dobu sta sekund. Naproti tomu předešlé signály, které vznikly při spojení dvou černých děr, trvaly pouhých 1,5 sekund. Delší doba měření redukuje nepřesnost v lokalizaci zdroje, zatímco tvar signálu astronomům dovoluje odhadnout hmotnosti neutronových hvězd na 1,1, resp. 1,6 hmotností Slunce. Amplituda signálu udává vzdálenost zdroje s maximálně 30% nepřesností.

Vysokoenergetické gama záření bylo ve formě krátkých dávek detekováno přibližně dvě sekundy po gravitační vlně. Astronomové tušili, že takové dávky mohou být následkem splynutím dvou neutronových hvězd, ale až na základě této události si mohou být zcela jisti. Jedna z největších záhad současné astrofyziky tak byla vyřešena.

Skutečnost, že gama paprsky následují gravitační vlny bez prodlení, je pro vědce potvrzením toho, že se gravitační vlny šíří rychlostí světla. Současně možnost pozorovat světlo a gravitační vlny přicházející ze vzdálených objektů umožňuje fyzikům provést nejpřesnější ověření Einsteinovy obecné teorie relativity.

Gravitační vlny produkované při události GW170817 vznikaly při srážce dvou neutronových hvězd. Když se hvězdy dostaly do kontaktu, jejich tvary se mohly deformovat vlivem slapových sil. Míra deformace závisí na stavu hmoty uvnitř hvězdy a na jejím rozložení, a mohla by ovlivnit signál gravitačních vln. V případě GW170817 však žádná deformace pozorována nebyla a astrofyzici tak mohli vypracovat několik modelů této hmoty.

Vyskytla se ovšem jedna potíž. Soustava LIGO-Virgo nebyla schopna detekovat gravitační vlny přesně v okamžiku spojení neutronových hvězd, protože frekvence těchto vln byla příliš vysoká. Vědci si nemohli být jisti, jestli se z dvojice vytvořila neutronová hvězda, nebo černá díra. Podle astronomů z univerzity v Glasgow existují čtyři pravděpodobné scénáře. Podle prvního se dvě neutronové hvězdy spojily a vytvořily další neutronovou hvězdu. Podle druhého scénáře se vytvořila supermasivní neutronová hvězda, která se za méně než jednu sekundu změnila v černou díru. Podle třetího se supermasivní neutronová hvězda změnila v černou díru v průběhu několika hodin. A podle posledního scénáře vznikla spojením dvou neutronových hvězd přímo černá díra.

Údaje z následných měření přibližně sedmdesáti teleskopů však napovídají, že konečným výsledkem spojení byla černá díra obklopená akrečním diskem materiálu. Když byl materiál vtahován do černé díry, rychle se pohybující proud materiálu byl vystřelen ve směru osy rotace černé díry. Když tento proud kolidoval s plynem v galaxii, začal se zpomalovat a ztracená kinetická energie byla vyslána ve formě gama záření. Protože Země je přibližně ve stejném směru jako proud ze srážky GW170817, byli astronomové schopni tyto paprsky zaznamenat. Když se tento proud pohybuje ven z černé díry, zpomaluje se a energie emitovaného záření také klesá. To vysvětluje, proč je možné ještě dva měsíce po vlastní události detekovat záření s nižší energií, jako jsou X-paprsky, viditelné i infračervené světlo, a rádiové vlny.

Událost GW170817 vědcům přinesla mnoho dalších důležitých poznatků. Například klíč k poznání, jak se ve vesmíru vytvářejí prvky těžší než železo, jakým je například zlato. Ty velmi pravděpodobně vznikají v těžkých jádrech bohatých na neutrony, které jsou vymršťovány během spojování. Tato jádra následně radioaktivním rozpadem vytvářejí stabilní těžká jádra. Vznikající radiace způsobuje, že v okolí vzniká záře. V případě GW170817 tuto záři poprvé zachytil relativně malý chilský teleskop (Swope Telescope). Podařilo se tedy potvrdit, že při spojování neutronových hvězd jsou do prostoru velkou rychlostí rozptylovány chemické prvky, jako je zlato nebo platina.

Astronomům se také otevřela nová cesta pro měření Hubbleovy konstanty, která udává rychlost rozpínání vesmíru jako funkci vzdálenosti od Země. To byl ostatně také jeden z původních důvodů, proč byly teleskopy LIGO a jeho evropský předchůdce GEO postaveny. Znalost amplitudy a polarizace gravitační vlny astronomům dovoluje zjistit vzdálenost od jejího zdroje. Pokud je možné vidět galaxii, ve které gravitační vlny vznikají, vědci mohou určit rudý posuv jejich světla a tím i rychlost, kterou se zdroj vzdaluje od Země. Hubbleova konstanta, vypočítaná ze vzdálenosti a rychlosti v GW 170817, souhlasí s jinými nezávislými měřeními.

Měření jsou popsána a rozebírána v řadě publikací, mj. v Astrophysical Journal Letters, Physical Review Letters, Nature a Science.

Mohlo by vás zajímat:

Kapky rychlejší než střela
Virgo poprvé detekoval gravitační vlny
Olihně pomáhají odkrývat podstatu skládání nanočástic
Uhlíkové nanotrubice vyrábějí elektřinu

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop