14. októbra 2019
Astrofyzika a vesmír

Čakanie na veľký triumf astrofyziky

Za posledné roky astrofyzika v očiach verejnosti jednoznačne bodovala. Noviny po celom svete písali o objave gravitačných vĺn či prvej fotke čiernej diery, ostatné oblasti fyziky mohli iba ticho závidieť. Túto oblasť čaká, pravdepodobne už čoskoro, ďalší fenomenálny úspech.

Pamätám si, ako sme sa autobusom vracali z dovolenky v Chorvátsku. Zastavili sme na odpočívadle bez pumpy, vodič chcel niečo skontrolovať. Bolo niečo po polnoci, väčšina z nás už spala, no aj tak sme využili možnosť sa ísť trochu ponaťahovať. A oplatilo sa – čakala nás tá najjasnejšia hviezdna obloha, akú väčšina z nás kedy videla. (Na Slovensku si za poriadnou nočnou oblohou musíte zájsť až do Polonín. Odporúčam!)

Vždy ma fascinovalo, že ako parádne sa musela dať nočná obloha pozorovať pred objavom elektriny. V mestách plných lámp a svetelných reklám vidíme kvôli svetelnému smogu len pár desiatok hviezd – na parkovisku, ďaleko od miest, sme ich videli stovky, možno až tisíce.

Pohľad na nenarušenú nočnú oblohu je dychberúci, našu pozornosť priťahuje od nepamäti. Nočná obloha však nie je iba pekná, je aj poučná.

Vďaka stále lepším a lepším teleskopom vieme, že nie sme stredobodom vesmíru, sme súčasťou slnečnej sústavy, v ktorých je 7 ďalších planét a väčšina z nich má aspoň jeden mesiac. Naša slnečná sústava je len jednou z miliárd v našej galaxii, Mliečnej ceste, a tá je len jednou z miliárd galaxií, na ktoré dovidíme [1].

Vidieť neviditeľné

Možno sa to stalo aj vám, dostali ste do rúk píšťalku pre psov, fúkli do nej a pomysleli si: ‚‚Nefunguje.‘‘ Pravdepodobne fungovala, psy totiž počujú aj vyššie tóny, než ľudia. Podobne je to aj so svetlom. To, ktoré dokážeme vidieť, predstavuje len veľmi úzky výrez zo všetkých možných vlnových dĺžok.

Infračervené svetlo, podobne ako ultrafialové či röntgenové je pre nás neviditeľné. To však neznamená, že neexistuje – komáre vidia aj infračervene, orly zas ultrafialovo, röntgenové svetlo zas zanechá stopy na filme.

Pozorovanie vesmíru vo rôznych vlnových dĺžkach otvorilo nové možnosti. Vidíme röntgenové svetlo z hmoty padajúcej do čiernych dier či vybuchnutých hviezd [2], infračervené svetlo z medzihviezdnych hmlovín [3] či mikrovlnné žiarenie, ktoré sa šíri vesmírom takmer od jeho počiatku [4].

Polapiť nepolapiteľné

Stále však ide o pozorovanie oblohy pomocou svetla. V roku 1930 pootvoril Wolfgang Pauli druhé okno, cez ktoré môžeme pozerať na vesmír. Jadrové experimenty v tej dobe vykazovali zvláštnu anomáliu – strácala sa v nich energie. ‚‚Čo ak existuje prakticky neviditeľná častica,‘‘ navrhol Pauli, ‚‚ktorá časť energie berie so sebou?‘‘ A trafil klinec po hlavičke.

Kým prečítate túto vetu, preletí cez vás biliarda neutrín. Za celý život sa vo vás, v priemere, zachytí jedno. (Spôsobí, že sa jeden neutrón zmení na protón, alebo naopak). Neutrín je okolo nás šialene veľa, no oni okolitý svet prakticky úplne ignorujú [5]. Časť z nich má geologický pôvod. Vznikajú pri jadrových reakciách a práve tie dodávajú energiu Slnku a ďalším hviezdam – preto k mám z nich okrem svetla prichádza aj nepretržitý prúd neutrín – takmer všetky však cez nás preletia ďalej.

Takmer, no nie všetky – časť sa predsa len zachytí. Aby sme ich uvideli, potrebujeme nahromadiť veľa pomerne hustej látky, do ktorej môžu neutrína naraziť. Táto látka musí byť zároveň priehľadná, aby sme videli slabé záblesky svetla, ktoré neutrína vyvolajú [6]. Našťastie, tieto dve podmienky spĺňa dobre napríklad voda, či už tekutá, alebo vo forme ľadu.

Bežný detektor neutrín hľadajte hlboko pod zemou (vrstva zeme odtieni všetko ostatné), bude to obrovská nádrž čistej vody, obstavaná extrémne citlivými a drahými detektormi slabých zábleskov.

Pred 168 000 rokmi vybuchla vo Veľkom Magellanovom mraku supernova, umierajúca hviezda, ktorá počas (astronomicky) krátkej explózie žiarila ako celá galaxia [7]. O 168 000 rokov neskôr, 23. februára 1987, ohlásili pozemské detektory obrovské množstvo neutrín. (V priebehu niekoľkých sekúnd to bolo 25 neutrín, čo je na ich pomery naozaj veľa.) O asi 3 hodiny dorazilo zo supernovy SN 1987A prvé svetlo [8]. (Svetlu to trvalo trochu dlhšie, lebo na rozdiel od neutrín, interaguje s okolím.) Išlo tak o prvý astronomický úkaz, z ktorého sme zachytili svetlo aj častice a ktorý odštartoval éru neutrínovej astrofyziky.

Počuť nepočuteľné

Tretie okno do vesmíru pootvoril ešte Albert Einstein, ktorého rovnice poukázali na možnosť existencie gravitačných vĺn [9]. Rovnice však ukázali, že pôjde o efekt tak slabý, že ho pravdepodobne nikdy nebudeme schopní pozorovať. A predsa, zhruba o 100 rokov neskôr, sa to podarilo. Tesne po ukončení prác, ktoré štvornásobne zvýšili jeho citlivosť, sa v detektore LIGO spustil alarm. Po pár mesiacoch dôsledných analýz prišiel veľký oznam: 14. septembra 2015 sa podarilo pozorovať gravitačné vlny, ktoré vznikli pri zrážke dvoch čiernych dier, ktoré obe vážili asi 30-násobok hmotnosti Slnka.

Milým aspektom gravitačných vĺn je, že aj keď ide o chvenie časopriestoru, ich frekvencie bežne odpovedá frekvencii počuteľného zvuku. Gravitačné vlny si tak môžeme pomocou počítača zmeniť a vypočuť. (Znejú ako cmuknutie ústami alebo vyberanie štupľu z fľaše. Samotné gravitačné vlny, bez transformácie na počítači, samozrejme, nepočuť.) Do dnešného dňa bolo pozorovaných vyše 10 ďalších gravitačných vĺn [10].

Jedno z týchto pozorovaní, GW170817, však vyčnievalo [11]. Gravitačné vlny totiž nevyvolala zrážka čiernych dier, ale neutrónových hviezd – ktoré sú na rozdiel od nich viditeľné. Pár sekúnd po gravitačných vlnách prišiel gama záblesk (vysoko-energetické svetlo), o niekoľko hodín aj viditeľné svetlo. Ide tak o prvý úkaz, z ktorého sme zachytili svetlo aj gravitačné vlny.

Čakanie na triumf

Astrofyziku tak prirodzene očakáva veľký TRIumf – zachytenie svetlo, neutrín a gravitačných vĺn z toho istého zdroja. Pred pár dňami to takmer vyzeralo na úspech [12].

28. júla sa v detektore gravitačných vĺn LIGO spustil alarm s označením S190728q [13]. Zhruba v ten istý čas, o pár minút skôr, zachytil detektor neutrín IceCube (ide o kilometer kubický antarktického ľadu prešpikovaný detektormi [14]) signál prichádzajúci zo zhruba toho istého smeru. Satelit Swift, ktorý patrí NASA, hneď začal hľadať svetelné záblesky [15].

Finálny verdikt zatiaľ nemáme, no pravdepodobne išlo o náhodu, zdroj neutrín asi pochádzal zo Zeme [16] a teoretické výpočty ukazujú, že pozorovanie gravitačných vĺn a neutrín k sebe energeticky nepasujú [17].

Tesne, ale nevydalo. Citlivosť prístrojov však vyzerá byť dostatočná, musíme len na vhodnú udalosť, napríklad zrážku neutrónových hviezd v neďalekej galaxii. (Keď sa nad tým zamyslíte, asi k nej už došlo, len čakáme, kým k nám signál dorazí.)

Keď sa takéto troj-pozorovanie podarí, pôjde o veľký triumf astrofyziky a symbolický míľnik na dlhej ceste spoznávania vesmíru a nášho miesta v ňom.

[Samuel]

Link na článok na našom webe (s extra obrázkami)
https://vedator.space/cakanie-na-velky-triumf-astrofyziky/

[1] https://spaceplace.nasa.gov/review/dr-marc-space/solar-systems-in-galaxy.html
[2] http://chandra.harvard.edu/about/
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_astronomy
[4] https://wmap.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_cmb.html
[5] https://www.facebook.com/vedator.svk/photos/a.215988422181212/619208215192562/?type=3&__tn__=EH-R
[6] https://www.facebook.com/vedator.svk/photos/a.215988422181212/669332383513478/?type=3&theater
[7] https://sk.wikipedia.org/wiki/Supernova
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/SN_1987A
[9] https://www.youtube.com/watch?v=0eXELRO0VLc
[10] https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_gravitational_wave_observations
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/GW170817
[12] https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/07/30/has-ligo-just-detected-the-trifecta-signal-that-all-astronomers-have-been-hoping-for/
[13] https://twitter.com/LIGO/status/1155394164080689153
[14] https://icecube.wisc.edu/
[15] https://www.nasa.gov/mission_pages/swift/main
[16] https://www.sciencenews.org/article/muons-reveal-voltages-inside-thunderstorm
[17] https://arxiv.org/pdf/1907.13464.pdf

Odborný článok: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/718/2/022004
Obr: https://hubblesite.org/contents/media/images/2017/08/3987-Image.html

Pridaj komentár