Ďalší vesmírny šum

Vesmír je chladný. Má teplotu asi -270.45˚ C, teda 2.7 stupňa nad absolútnou nulou. Ak by ste však, napriek varovaniam, vystrčili ruku z rakety, tento chlad by ste takmer necítili. Vesmír je totiž nielen chladný ale aj prázdny a tak by vás nemalo čo chladiť. Chladli by ste sa len tým, že by ste teplo z ruky pomaly sálali (a k tomu by sa z nej vyparovala voda).

Keď je teda vesmír takmer prázdny, tak teplota čoho vlastne je tých -270.45˚C? Dobrá otázka! Vesmír nie je prázdny úplne, je plný elektromagnetické žiarenia, ktoré má také vlnové dĺžky, akoby ho sálalo niečo práve s touto teplotou. Vypĺňa celý vesmír a tvorí všadeprítomný jemný šum. Toto žiarenie vzniklo asi 378 000 rokov po Veľkom tresku a jeho presné zloženie nesie cenné informácie o tom ako vesmír vyzeral kedysi.

Dlho sa uvažovalo, že je vesmír plný aj iných foriem šumu, napríklad nie vo forme vĺn elektromagnetických, ale gravitačných. Gravitačné vlny sú deformácie časopriestoru, ktoré spôsobujú naťahovanie a skracovanie dĺžok, typicky však sotva badateľné aj najpresnejšími zariadeniami.

Gravitačné vlny sme už zachytili priamo, ich zdrojom sú bežne čierne diery s rádovo desaťnásobkom hmotnosti nášho Slnka. Tie vyvolajú jasný a relatívne krátky signál. Čierne diery však existujú aj milión či miliardu krát ťažšie, takzvané supermasívne. Nachádzajú sa v stredoch galaxií a keď sa zrazia galaxie, zrazia sa aj ich čierne diery. Je to oveľa pomalší no zároveň energetickejší proces, ktorý vytvára gravitačné vlny s oveľa menšou frekvenciou. Zároveň, tesne po Veľkom tresku, v divokom ranom vesmíre, vznikali – aspoň si myslíme – rôznorodé gravitačné vlny. Akoby nestačilo, existujú aj ďalšie možné zdroje, napríklad obiehajúci sa bieli trpazlíci.

Keď si to človek všetko spíše pekne dokopy, zistí, že by mal byť vesmír plný gravitačných vĺn s vlnovou dĺžkou od miliónov metrov až po miliardy svetelných rokov. To, čo zachytil detektor LIGO, sú gravitačné vlny najkratších vlnových dĺžok. Tento detektor má relatívne krátke ramená, na dlhšie vlnové dĺžky potrebujeme väčšiu „anténu“. Chystaný detektor LISA má pozostávať z konštelácie satelitov vzdialených milióny kilometrov; plánovaný štart misie je na rok 2037.

Na niektoré gravitačné vlny by sme však potrebovali detektor o rozmere galaxie. Dobrá správa – máme ho! Súčasťou mnohých detekčných zariadení sú stabilné zdroje signálu, presné hodinky a tak podobne. Takýchto veci je však vo vesmíre hojne. Mikropulzary sú neutrónové hviezdy – teda približne hmota nášho Slnka skolabovaná na rozmer mesta – ktoré sa otáčajú stovky krát za sekundu a vysielajú pritom jasný signál. Vďaka ich robustnosti je tento signál stabilný.

Ak sa na takýto zdroj pozeráte, vyzerá ako prudko tikajúce hodinky, za ktorých presnosť by sa nemuseli hanbiť ani tie atómové. K drobným odchýlkam predsa len dochádza – a to ak medzi nami a pulzarom preletí gravitačná vlna (bežne nie jedna ale mnohé). Tá spôsobí natiahnutie vzdialenosti o pár desiatok metrov, odstup, ktorý spôsobí drobnú ale merateľnú odchýlku, zdanlivo v pulzovaní zdroja.

Konzorcium NANOGrav roky sleduje a presne meria desiatky pulzarov práve s cieľom odmerať šum pozadia gravitačný vĺn. Pred pár rokmi oznámili, že niečo „počujú“. Teraz potvrdili, že ide o šum gravitačných vĺn.

Keď skombinujeme kapacity pozemných detektor ako LIGO, vesmírnych detektor LISA a galaktických „detektorov“, mikropulzarov, máme spektrum vĺn celkom dobre zastúpené. Existuje oblasť, na ktorú však žiadne z nich nedosiahnu. Časť gravitačných vĺn z Veľkého tresku má vlnovú dĺžku tak veľkú, že by sme potrebovali detektor rádovo rozmerov vesmíru. Taký však, prekvapivo, máme tiež – ide o reliktový elektromagnetický šum spomínaný v úvode. Pri jeho vzniku dochádzalo v celom vesmíre k interakcii s gravitačnými vlnami a jemné stopy by v tomto žiarení mali byť pozorovateľné aj dnes. Dokonca sme si raz mysleli, že sa to podarilo. Experiment BICEP v roku 2014 hlásil úspech, no ukázalo sa, že radosť bola predčasná; hľadanie však pokračuje.

Tak, ako je vesmír plný elektromagnetického žiarenia rôznych vlnový dĺžok, od gama zábleskov až po mikrovlny, je plný aj najrôznorodejších gravitačných vĺn. Donedávna sa astronómia musela spoliehať len na jeden druh signálu, postupne začíname objavovať ďalší. Gravitačné vlny sú síce oveľa slabšie a náročnejšie na zachytenie, no práve to ich robí cennými – dokážu preniknúť z miest, ktoré sú pre iné žiarenie nepreniknuteľné. A tak nám umožnia nahliadnuť napríklad za oponu raného vesmíru, až tesne k Veľkému tresku. Aj preto si myslíme, že to za tú námahu stojí.

[Samuel]

PS: Pekný prehľad rôznorodých gravitačných vĺn, ich zdrojov a detektorov.
http://www.tapir.caltech.edu/~teviet/Waves/gwave_spectrum.html