Gravitační vlny. Letní škola matiky a fyziky Štěpán Kolář. Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze. 12.

Transkript

1 Gravitační vlny Letní škola matiky a fyziky 2016 Štěpán Kolář Matematicko-fyzikální fakulta Univerzity Karlovy v Praze 12. srpna 2016 Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

2 Kde tuto přednášku najdete skolar.8u.cz Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

3 Nejkrásnější a nejhlubší pocit jaký může člověk zažít je poznat tajemno. To je základním principem náboženství, stejně tak jako veškerého seriózního úsilí v umění a ve vědě. Albert Einstein Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

4 Náplň přednášky 1 Úvodem do teorie relativity a černých děr 2 Co jsou to gravitační vlny 3 Jak pozorovat gravitační vlny 4 Experimenty s gravitačními vlnami 5 Něco málo o vzniku vesmíru Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

5 Teorie relativity Teorie relativity a černé díry Rozšiřuje newtonovskou fyziku Přišel s ní Albert Einstein Nebyla za ní Nobelova cena Dělíme na: 1. Speciální teorii relativity 2. Obecnou teorii relativity Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

6 Teorie relativity a černé díry Speciální relativita Teorie relativity Speciální relativita Existuje nejvyšší možná rychlost, kterou značíme c Rychlostí c se pohybuje světlo Rychlosti světla nemůžeme dosahnout Praktická úloha ze života Jedu na skateboardu rychlostí v = 3/4c a hodím před sebe hakysák, který vůči mě letí rychlostí u = 3/4c. Jaká bude rychost hakysáku w, která je vůči Aničce, sedící na lavičce? Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

7 Teorie relativity a černé díry Speciální relativita Praktická úloha ze života Jedu na skateboardu rychlostí v = 3/4c a hodím před sebe hakysák, který vůči mě letí rychlostí u = 3/4c. Jaká bude rychost hakysáku w, která je vůči Aničce, sedící na lavičce? Řešení Klasická mechanika: w = v + u w = 3/2c Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

8 Teorie relativity a černé díry Speciální relativita Praktická úloha ze života Jedu na skateboardu rychlostí v = 3/4c a hodím před sebe hakysák, který vůči mě letí rychlostí u = 3/4c. Jaká bude rychost hakysáku w, která je vůči Aničce, sedící na lavičce? Řešení Klasická mechanika: w = v + u w = 3/2c Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

9 Teorie relativity a černé díry Speciální relativita Praktická úloha ze života Jedu na skateboardu rychlostí v = 3/4c a hodím před sebe hakysák, který vůči mě letí rychlostí u = 3/4c. Jaká bude rychost hakysáku w, která je vůči Aničce, sedící na lavičce? Řešení STR (Lorentzova transofmace): w = u + v 1 + u c 2 v w = 24/25c Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

10 Teorie relativity Speciální relativita Teorie relativity a černé díry Speciální relativita Říká, že se prostor a čas chovají jinak, než jsme zvyklí c km/s Rychlost světla je absolutní Časoprostor se pokřivuje: kontrakce (zkracování) délek dilatace (prodlužování) času Z pokřivení časprostoru plyne rovnice pro skládání rychlostí zdroj: qwertasip.estranky.cz Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

11 Teorie relativity Obecná relativita Teorie relativity a černé díry Obecná relativita Klasická mechanika předpokládá nekonečnou rychlost šíření gravitace Speciální relativita neřeší gravitaci Einstein ji zformuloval v roce 1915 Obsahuje 2 revoluční myšlenky: 1. Gravitace se v prostoru šíří rychlostí c 2. Hmotné objekty pokřivují okolní prostor a pohyb v jejich gravitačním poli je po nejkraší přímé trajektorii Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

12 Teorie relativity a černé díry Obecná relativita zdroj: Time Travel Research Center Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

13 Teorie relativity a černé díry Černá díra Černá díra Objekty s velkou hmotností Gravitační silou přitahují vše, co je v jejich blízkém okolí Místo, odkud není úniku (ani pro světlo) se nazývá horizont událostí Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

14 Teorie relativity a černé díry Černá díra Černá díra Objekty s velkou hmotností Gravitační silou přitahují vše, co je v jejich blízkém okolí Místo, odkud není úniku (ani pro světlo) se nazývá horizont událostí Holy posádce v seriálu Červený trpaslík Víš, s černou dírou se to má tak, že jejím určujícím rysem je černá barva. A s vesmírem se to má tak, že barva vesmíru, základní barva vesmíru, je černá. Tak jak ji mám asi vidět? Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

15 Teorie relativity a černé díry Černá díra Černá díra Podle strýčka Bertíka Světlo v jejím okolí mění svou trajektorii Gravitační působení černé díry je výrazné pokřivení časoprostoru Černou díru lze také popsat kvantovou teorií Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

16 Teorie relativity a černé díry Černá díra zdroj: Shutterstock.com Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

17 Teorie relativity a černé díry Černá díra Takto by vypadala černá díra, kterou bychom vyděli na naší obloze (autor: Ute Kraus (CC-BY-SA)). Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

18 Gravitační vlny Co to je? Co jsou to gravitační vlny Pokřivení časoprostoru, tak že se vlní Způsobeny výrazným gravitačním impulsem, např.: Při velkém třesku Srážkou dvou hmotných objektů, nejlépe černých děr Význam gravitačních vln: Důkaz obecné relativity Důkaz rychlosti šíření gravitace Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

19 Co jsou to gravitační vlny Gravitační vlny Srážka černých děr Video 1: youtu.be/dypjx6hurti Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

20 Jak pozorovat gravitační vlny Gravitační vlny Jak je pozorovat Pouhým okem? Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

21 Jak pozorovat gravitační vlny Gravitační vlny Jak je pozorovat Pouhým okem? Gravitační vlny se postupně tlumí a pak nepokřivují prostor výrazně Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

22 Jak pozorovat gravitační vlny Gravitační vlny Jak je pozorovat Pouhým okem? Gravitační vlny se postupně tlumí a pak nepokřivují prostor výrazně Musíme použít nějaký detektor Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

23 Jak pozorovat gravitační vlny Gravitační vlny Jak je pozorovat Pouhým okem? Gravitační vlny se postupně tlumí a pak nepokřivují prostor výrazně Musíme použít nějaký detektor Experiment, kterým vlny pozorujeme, dokázal speciální relativitu Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

24 Jak pozorovat gravitační vlny Schéma interferometrů LIGO H1 a L1 a jejich citlivost pro různé frekvence (autor: Abbott, B. P. a kol.) Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

25 Jak pozorovat gravitační vlny Gravitační vlny Experiment gravitačních vln Video 2: youtu.be/bwjjejaudfm Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

26 Experimenty s gravitačními vlnami Objev gravitačních vln První zmínky V 70. a 80. letech Při pozorování binárního pulsaru PSR Pulsar vyzařoval engerii ve formě gravitačních vln Graviatční vlny jsme nepozorovali V roce 1993 Nobelova cena za fyziku (Russel A. Hulse, Joseph H. Taylor) Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

27 Experimenty s gravitačními vlnami Objev gravitačních vln Pomocí experimentu 1. Objeveny 14. září 2015 Zveřejnění objevu bylo 11. února letošního roku Srážka byla před více, než miliardou let 2. Objeveny 26. prosince 2015 Zveřejněny 15. června Zaznamenal je experiment LIGO Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

28 Experimenty s gravitačními vlnami Detektory gravitačních vln LIGO Detektory, které jsou již v provozu Ve spojených státech Má 2 detektory, každý na jiné straně spojených států 1. Livingston 2. Hanford Více než jeden detektor potřebujeme, abychom gravitační vlny oddělili od šumu Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

29 Experimenty s gravitačními vlnami Detektory, které jsou již v provozu zdroj: LIGO Caltech Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

30 Experimenty s gravitačními vlnami Detektory, které jsou již v provozu Detektory gravitačních vln LIGO LIGO v provozu mezi lety 2002 a 2010, ale nic nenaměřilo V roce 2010 byla odstávku kvůli modernizaci Po modernizaci znovu spuštěn v září 2015 Všiměte si, že objevy byly 14. září 2015 a 26. prosince 2015 Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

31 Experimenty s gravitačními vlnami Detektory, které jsou již v provozu Schéma interferometrů LIGO H1 a L1 a jejich citlivost pro různé frekvence (autor: Abbott, B. P. a kol.) Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

32 Experimenty s gravitačními vlnami Detektory, které jsou již v provozu Detektory gravitačních vln Virgo Evropský projekt Spolupracuje s Ligem Zatím žádné graviatční vlny neobjevilo Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

33 Experimenty s gravitačními vlnami Detektory, které jsou již v provozu zdroj: AFP/Getty Images Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

34 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum Připravované projekty pro výzkum černých děr Virgo bude mít třetí detektor (pomocí tří detektorů určíme směr zdroje gravitační vlny) Ze stejného důvodu bude mít LIGO také třetí detektor Nový detektor Liga bude v Indii a bude se jmenovat India LIGO Japonsko plánuje vlastní projekt KAGRA Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

35 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum Připravované projekty pro výzkum vzniku vesmíru Kde takový detektor postavit? Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

36 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum Připravované projekty pro výzkum vzniku vesmíru Kde takový detektor postavit? Mimo Zemi Může být dost velký Není ovlivněn seismickými otřesy Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

37 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum LISA Vesmírný detektor Společný projekt ESA a NASA 3 družice jako vrcholy rovnostranného trojúhelníku Vzdálenost mezi sondami je km Každá družice vysílá paprsek da ostatní NASA od projektu odstoupila Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

38 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum zdroj: Pratique.fr Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

39 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum NGO elisa Projekt financuje ESA Sníženy náklady na vytvoření projektu Vzdálenosti mezi sondami zkráceny na km Odebrán paprsek mezi dvěma sondami a úhel mezi nimi sevřen Formace má tvar písmene V Soustava nakloněna vůči ekliptice o 60 Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

40 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum Oběh Elisy (zdroj: Glasgow University Magazine) Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

41 Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum Porovnání projektů NGO a LISA (zdroj: Aldebaran.cz) NGO Formace trojúhelníku s jednou mateřskou a dvěma dceřinými sondami Vzdálenost sond 10 6 km Jednoduchý Michelsonův interferometr (4 základny) Přímé měření amplitudy Nepřímé měření polarizace z tvaru dráhy Doba provozu: 2 roky, možné prodloužení na 5 let LISA Formace trojúhelníku se třemi identickými sondami Vzdálenost sond km Mnoho konfigurací interferometrů, až 6 základen Přímé měření amplitudy Přímé a trvalé měření polarizace Doba provozu: 5 let, možné prodloužení na 10 let Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

42 LISA Pathfinder Experimenty s gravitačními vlnami Budoucí výzkum Sonda testující zařízení pro projekt elisa Úspěšně odstartovala zdroj: ESA C.Carreau Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

43 Vznik vesmíru Závěrem o počátku vesmíru aneb, jak pozorovat velký třesk Dnes nejdál vidíme pomocí reliktního elektromagenetického záření Pomocí elektromagnetického záření vidíme do doby let po velkém třesku Díky reliktním gravitačním vlnám by se dalo vidět do s po velkém třesku Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

44 Vznik vesmíru zdroj: ESA Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

45 Konec Děkuji za pozornost Prostor pro dotazy autor: Randall Munroe, překlad: xkcz Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

46 Zdroje I Konec Semerák, Oldřich (2016). Speciální teorie relativity. URL: (cit ). Kulhánek, Petr (2016a). Reliktní gravitační vlny. URL: (cit ). The Nobel Prize in Physics 1993 (2016). URL: nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1993/ (cit ). Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

47 Zdroje II Konec Hron, Michal (2016). Gravitační vlny potvrzeny. In: Astronomický informační server astro.cz. URL: (cit ). Vachtl, Pavel (2016). Gravitační vlny byly zachyceny podruhé. URL: (cit ). Kulhánek, Petr (2016b). LISA je mrtvá, elisa skomírá, naděje umírá? URL: (cit ). Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40

48 Zdroje III Konec Podolský, Jiří (2016). Gravitační vlny poprvé zachyceny: GW ze srážky černých děr. In: Pokroky matematiky, fyziky a astronomie 61, s ISSN: Reichl, Jaroslav a Martin Všetička (2016). Encyklopedie fyziky. Intenzita gravitačního pole. URL: intenzita-gravitacniho-pole (cit ). Štěpán Kolář (MFF UK) Gravitační vlny 12. srpna / 40