Teorie relativity
-
Gravitační vlny
RNDr. Jaroslav Vrba PhD.

Co jsou gravitační vlny?
•
•
•Gravitační vlny jsou zvlnění prostoročasu, která vznikají při pohybu hmotných objektů, zejména při
jejich zrychlení. Video 7h0
•
•Šíří se rychlostí světla a mění vzdálenosti mezi objekty ve směru šíření.
•
•Předpovězeny Einsteinovou obecnou teorií relativity (1916).

Newtonova mechanika selhává při rychlostech blízkých rychlosti světla
Newtonovy zákony neplatí na kvantové úrovni – například pohyb částic není předpověditelný podle
klasické mechaniky, kvantová mechanika přináší pravděpodobnostní výklad
rychlost světla je konstantní, ale Newtonova mechanika pracuje s relativním pohybem
MM experiement - neúspěšná detekce éteru, který měl být médiem pro šíření světla

Jak gravitační vlny vznikají?
•Při srážkách nebo pohybu masivních objektů, jako jsou černé díry nebo neutronové hvězdy atd. Video
7ha
•
•Během explozivních událostí, například supernov.
•
•Zrychlený pohyb hmoty narušuje gravitační pole a vytváří vlnění prostoročasu (rotace asymetrického
objektu)
•
•Negenerují se při rotaci sféricky symetrických objektů (nutná kvadrupólová nesymetrie)

Historické pozorování gravitačních vln
•
•Rok 1974: První nepřímé důkazy gravitačních vln – dvojhvězda PSR B1913+16, za kterou Hulse a
Taylor získali Nobelovu cenu (1993) video 7hb
•
•Rok 2015: První přímé pozorování gravitačních vln detektorem LIGO ze srážky dvou černých děr
•
•Další pozorování gravitačních vln: kombinace detektorů LIGO, Virgo a KAGRA umožnila lokalizaci
zdrojů ve vesmíru

Pozorovatel A stojí uprostřed nástupiště na vlakovém nádraží.
Pozorovatel B sedí uprostřed vlaku, který se pohybuje konstantní rychlostí podél nástupiště.
Dva blesky udeří současně na oba konce vlaku (přední a zadní část). Pro pozorovatele A stojícího na
nástupišti vypadají oba blesky jako simultánní (vidí světlo z obou blesků dorazit k sobě zároveň).
Ale pozorovatel B ve vlaku, který se pohybuje směrem k přednímu blesku a vzdaluje se od zadního
blesku, vnímá situaci jinak. Protože se pohybuje k jednomu blesku a od druhého, vidí světlo z
předního blesku dříve než světlo z blesku na zadní části vlaku.

Jak se gravitační vlny detekují?
•
•Gravitační vlny mění vzdálenosti mezi zrcadly v laserových interferometrech
•
•Detektory jako LIGO a Virgo používají laserový paprsek, který měří změny v délce ramen
interferometru (řádově menší než průměr atomu) video 7hc
•
•Výzvy detekce: velmi slabé signály, ovlivněné okolním šumem

Vlastnosti gravitačních vln
•
•Dlouhé vlnové délky: gravitační vlny se šíří přes obrovské vzdálenosti bez výrazného oslabení
•
•Polarizace: gravitační vlny deformují prostoročas ve dvou orthogonálních směrech
•
•Interakce s hmotou jsou velmi slabé, takže průchod gravitačních vln většinou nezanechá měřitelné
změny

Video 2hc

Co nám gravitační vlny říkají o vesmíru?
•
•
•Gravitační vlny umožňují studium objektů, které nevydávají elektromagnetické záření (např. černé
díry)
•
•Poskytují přímý důkaz o existenci černých děr a neutronových hvězd
•
•Umožňují sledovat extrémní události, jako je srážka dvou černých děr nebo zánik neutronové hvězdy

Astrofyzikální význam gravitačních vln
•
•Studium kosmologických jevů, jako je formování galaxií a shlukování hmoty
•
•Testování Einsteinovy obecné teorie relativity v extrémních podmínkách
•
•Nové pohledy na raný vesmír (gravitační vlny z období Velkého třesku)

Gravitační vlny a multimessanger astronomie
•
•Kombinace gravitačních vln s elektromagnetickými signály (světlo, rentgen, gama) umožňuje hlubší
pochopení astrofyzikálních procesů
•
•Pozorování srážky neutronových hvězd (GW170817): gravitační vlny a gama záblesky umožnily zjistit
původ těžkých prvků, jako je zlato a platina – doplnit seznam detekcí
•
•Význam spolupráce různých observatoří a detektorů

Budoucnost výzkumu gravitačních vln
•
•
•Výstavba nových detektorů: LISA (Laser Interferometer Space Antenna) pro detekci gravitačních vln
ve vesmíru
•
•Možnosti detekce primordiálních gravitačních vln z raného vesmíru
•
•Rozšíření „multimessanger astronomie“ pomocí gravitačních vln

Otázky
•
•
•Jaké vlastnosti mají gravitační vlny a jak je můžeme detekovat?
•
•Co nám gravitační vlny říkají o událostech, jako jsou srážky černých děr?
•
•Jaké jsou výzvy a možnosti budoucího výzkumu gravitačních vln?
•https://www.youtube.com/watch?v=mhUS9arge94