Gravitační vlny a identifikace závad zaznamenaných při jejich měření

Podobné dokumenty
Obecná teorie relativity pokračování. Petr Beneš ÚTEF

Gravitační vlny detekovány! Gravitační vlny detekovány. Petr Valach ExoSpace.cz Seminář ExoSpace.

Epilog: Ústav teoretické fyziky Matematicko-fyzikální fakulta Univerzita Karlova v Praze PMF

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

Gravitační vlny. Jaroslav Reichl, SPŠST Panská, Praha inspirováno přednáškou Jiřího Podolského, MFF UK Praha

Kroužek pro přírodovědné talenty při Hvězdárně Valašské Meziříčí Lekce XXX. Kosmologie

VY_32_INOVACE_FY.19 VESMÍR

Černé díry: brány k poznávání našeho Vesmíru

Identifikace vzdělávacího materiálu VY_52_INOVACE_F.9.A.34 EU OP VK

Pozorování dalekohledy. Umožňují pozorovat vzdálenější a méně jasné objekty (až stonásobně více než pouhým okem). Dají se použít jakékoli dalekohledy

Aktuality ze světa gravitačních vln

VY_32_INOVACE_06_III./19._HVĚZDY

Gymnázium Dr. J. Pekaře Mladá Boleslav

Hvězdy se rodí z mezihvězdné látky gravitačním smrštěním. Vlastní gravitací je mezihvězdný oblak stažen do poměrně malého a hustého objektu

GRAVITAČNÍ VLNY. Zakřivení času a prostoru. Jak vypadají gravitační vlny?

Wilsonova mlžná komora byl první přístroj, který dovoloval pozorovat okem dráhy elektricky

Nobelova cena 2017 udělena za objev gravitačních vln

STEPHEN HAWKING Černé díry: Reithův cyklus přednášek pro BBC

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

Za hranice současné fyziky

Název a číslo materiálu VY_32_INOVACE_ICT_FYZIKA_OPTIKA

Vznik vesmíru (SINGULARITA) CZ.1.07/1.1.00/ Zpracovala: RNDr. Libuše Bartková

Einsteinovy gravitační vlny poprvé zachyceny

4.4.6 Jádro atomu. Předpoklady: Pomůcky:

1. Proveďte energetickou kalibraci gama-spektrometru pomocí alfa-zářiče 241 Am.

Laboratorní práce č. 3: Měření vlnové délky světla

MATLAB PRO PODPORU VÝUKY KOMUNIKAČNÍCH SYSTÉMŮ

ASTRONOMICKÝ ÚSTAV AV ČR, v. v. i.

Vše souvisí se vším, aneb všechno je energie

Kinematika Trajektorie pohybu, charakteristiky pohybu Mirek Kubera

Všechny galaxie vysílají určité množství elektromagnetického záření. Některé vyzařují velké množství záření a nazývají se aktivní.

RYCHLOST SVĚTLA PROSEMINÁŘ Z OPTIKY

KIS a jejich bezpečnost I Šíření rádiových vln

Slide 1. užívanými ke stanovení hodnoty indexu lomu vzduchu. interferometrie. Nepostradatelným parametrem pro stanovení takto měřené

Stručný úvod do spektroskopie

Základy spektroskopie a její využití v astronomii

Úvod do moderní fyziky. lekce 7 vznik a vývoj vesmíru

ČLOVĚK A ROZMANITOST PŘÍRODY VESMÍR A ZEMĚ. GRAVITACE

7.Vesmír a Slunce Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Chemické složení vesmíru

Aleš Trojánek MACHŮV PRINCIP A STŘEDOŠKOLSKÁ MECHANIKA Mach s Principle and the Mechanics at Secondary Schools

Gravitační vlny a jejich detektory

Pohled na svět dalekohledem i mikroskopem.

Základní jednotky v astronomii

VESMÍR, SLUNEČNÍ SOUSTAVA

Geometrická optika. předmětu. Obrazový prostor prostor za optickou soustavou (většinou vpravo), v němž může ležet obraz

Elektromagnetické vlnění

2 Nd:YAG laser buzený laserovou diodou

Astronomický ústav. Akademie věd České republiky, v. v. i. Čeští astronomové jako první zachytili optický dosvit gama záblesku

Světlo 1) Světlo patří mezi elektromagnetické vlnění (jako rádiový signál, Tv signál) elmg. vlnění = elmg. záření

2. Vyhodnoťte získané tloušťky a diskutujte, zda je vrstva v rámci chyby nepřímého měření na obou místech stejně silná.

VLNOVÁ OPTIKA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Optika - 3. ročník

Tajemné gravitační vlny podařilo se je konečně ulovit?

Fotoelektrický jev je uvolňování elektronů z látky vlivem dopadu světelného záření.

Mikrovlny. K. Kopecká*, J. Vondráček**, T. Pokorný***, O. Skowronek****, O. Jelínek*****

Kosmické záření a astročásticová fyzika

Očekávaný výstup Žák rozvíjí čtenářskou gramotnost. Žák vyhledá informaci v přiměřeně náročném textu. Speciální vzdělávací Žádné

A5M13VSO MĚŘENÍ INTENZITY A SPEKTRA SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ

VY_32_INOVACE_FY.18 ZVUKOVÉ JEVY

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Jan Polášek stud. skup. 11 dne

Ing. Stanislav Jakoubek

Senzor může být připojen ke všem měřícím rozhraním platformy einstein.

9. Astrofyzika. 9.4 Pod jakým úhlem vidí průměr Země pozorovatel na Měsíci? Vzdálenost Měsíce od Země je km.

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

VY_12_INOVACE_115 HVĚZDY

Měření vzdálenosti pomocí ultrazvuku na vstupu mikropočítače

Říká se, že pravda je někdy podivnější než smyšlenka, a nikdy to neplatí víc než v případě černých děr. Černé díry jsou podivnější než všechno, co si

Jaký obraz vytvoří rovinné zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, stejně velký. Jaký obraz vytvoří vypuklé zrcadlo? Zdánlivý, vzpřímený, zmenšený

angličtina Free Fall

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

2. Prostudovat charakter interakcí různých částic v hadronovém kalorimetru

VY_32_INOVACE_FY.20 VESMÍR II.

25 A Vypracoval : Zdeněk Žák Pyrometrie υ = -40 C C. Výhody termovize Senzory infračerveného záření Rozdělení tepelné senzory

4.2.3 ŠÍŘE FREKVENČNÍHO PÁSMA CHOROVÉHO ELEMENTU A DISTRIBUČNÍ FUNKCE VLNOVÝCH NORMÁL

Kam kráčí současná fyzika

Relativistické jevy při synchronizaci nové generace atomových hodin. Jan Geršl Český metrologický institut

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/

NÁZEV ŠKOLY: Základní škola Javorník, okres Jeseník REDIZO: NÁZEV: VY_32_INOVACE_200_Planetárium AUTOR: Ing. Gavlas Miroslav ROČNÍK,

Kvantové technologie v průmyslu a výzkumu

Gymnázium, Český Krumlov

Souběžná validita testů SAT a OSP

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

Nabídka vybraných pořadů

Zeemanův jev. 1 Úvod (1)

TEORIE ROKU Miroslav Jílek

Vesmír. Studijní text k výukové pomůcce. Helena Šimoníková D

Charakteristiky optoelektronických součástek

Nabídka vybraných pořadů

Fyzikální praktikum...

Husky KTW, s.r.o., J. Hradec

4.1.5 Jedna a jedna může být nula

Občané o vztazích ČR s některými zeměmi prosinec 2018

Pracovní list Název projektového úkolu: Pocházíme z hvězd? Třída: IX. Název společného projektu: Vesmír

5.3.5 Ohyb světla na překážkách

Utajené vynálezy Nemrtvá kočka

Jak se vyvíjejí hvězdy?

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

Učební texty z fyziky 2. A OPTIKA. Obor zabývající se poznatky o a zákonitostmi světelných jevů. V posledních letech rozvoj optiky vynález a využití

Vlnové vlastnosti světla. Člověk a příroda Fyzika

Transkript:

Lauderova MŠ, ZŠ a gymnázium při Židovské obci v Praze Gravitační vlny a identifikace závad zaznamenaných při jejich měření Anna Hoffmannová Vedoucí práce: Šárka Kvasničková 2017/2018 6. O

Abstrakt Tato práce se zabývá určováním šumů zachycených Laserovou interferenční observatoří pro zachycení gravitačních vln. První část práce obsahuje informace o gravitačních vlnách, historii jejich objevu, interferometrech (přístrojích užívaných k jejich zachycení) a vědeckém zařízení LIGO. Druhá část vychází z účasti na projektu Gravity Spy, který byl využit k identifikaci šumů, a mluví o konkrétních šumech, jejich typech, způsobu identifikace, problémech vzniklých při klasifikaci a samotném projektu Gravity Spy. Klíčová slova: Gravitační vlny, šumy, Gravity Spy, LIGO 2

Obsah Úvod... 4 1. Gravitační vlny... 5 1.1. Historie objevu... 5 1.2. Měření gravitačních vln... 6 2. LIGO... 8 3. Šumy... 9 4. Zooniverse... 10 4.1. Gravity Spy... 10 5. Identifikace šumů... 11 5.1. Princip třídění... 11 5.2. Kategorie šumů... 11 5.3. Grafy... 15 5.4. Problémy během identifikace... 18 5.5. Závěry z práce na projektu... 21 6. Budoucnost výzkumu... 23 Závěr... 24 Zdroje... 25 3

Úvod K výběru gravitačních vln jakožto tématu mé seminární práce mne vedl zájem o teoretickou fyziku a astrofyziku. V současné době se navíc jedná o téma aktuální; loni totiž byla za naměření gravitačních vln udělena Nobelova cena. Účast na projektu Gravity Spy, o němž jsem se dozvěděla díky paní učitelce Šárce Kvasničkové, navíc znamenala, že se budu moci zapojit do reálného výzkumu a alespoň trochu si vyzkoušet něco, co souvisí s oblastí, kterou bych jednoho dne ráda studovala na vysoké škole. Ve své práci se budu zabývat určováním šumů, které zaznamenávají detektory sestavené pro zachycování signálů přenášených gravitačními vlnami. Nejprve se v teoretické části zaměřím na to, co to gravitační vlny jsou, proč se je snažíme změřit a jak vůbec taková detekce probíhá. Využiji k tomu zejména oficiální stránky LIGO, knihu Vesmírné blues od Janny Levin a odborné články. Praktická část pak bude sestávat z vlastní práce na projektu Gravity Spy, kde budu určovat, do jaké kategorie šumy zaznamenané detektory gravitačních vln patří. Některé z těchto grafů vyobrazujících závady uchovám a využiji ve své práci. Očekávám, že po seznámení se s webovým prostředím, ve kterém budu pracovat, by samotná klasifikace šumů neměla být jako taková příliš obtížná. Předpokládám však, že se dozvím více o práci odborníků a dostanu možnost si alespoň rámcově zkusit malou část z toho, co jejich práce může obnášet. 4

1. Gravitační vlny Gravitační vlny jsou v podstatě vlnami zakřivení časoprostoru. Vznikají při zrychleném pohybu těles (včetně těles rotujících v případě, že nejsou středově ani osově souměrná) ve vesmíru a vlny se šíří rychlostí světla (LIGO, 2016, cit. 14. 12. 2017). Gravitační vlny nepatří do elektromagnetického spektra a dokáží nést i informace o událostech, při nichž nevzniká žádné (nebo téměř žádné) elektromagnetické záření, tedy například o splynutí černých děr (Levin, s. 117-118, 2016). Navíc díky tomu, že jen minimálně interagují s hmotou, dokáží přenášet informace v podstatě bez útlumu napříč vesmírem. Jejich detekcí bychom tak mohli získat zcela nové informace o mnoha různých dějích - včetně vzniku vesmíru samotného. Ačkoliv gravitační vlny vznikají i při pohybu těles na Zemi (včetně lidí nebo aut), jsou tyto vlny příliš malé na to, abychom je dokázali naměřit, takže jsme při snaze o jejich detekci odkázáni na přirozené děje odehrávající se ve vesmíru. Pro nás významným zdrojem gravitačních vln jsou takzvané kompaktní objekty 1, lépe řečeno jejich vzájemně se obíhající dvojice. Rozlišujeme tři kategorie těchto binárních systémů: dvojice neutronových hvězd, dvojice černých děr a dvojice tvořené jednou neutronovou hvězdou a jednou černou dírou. Obíhající se objekty vysílají gravitační vlny, tedy zakřivují časoprostor, přičemž ztrácejí energii potřebnou k tomu, aby nedošlo ke zhroucení systému. Tím se k sobě objekty po spirále přibližují, což znamená, že okolo sebe obíhají rychleji, a tudíž ztrácejí ještě více energie. To nakonec vyústí v kolizi obou objektů. Právě tento typ gravitačních vln se podařilo koncem roku 2015 poprvé zaznamenat (LIGO Caltech, 2017, 14. 12. 2017). 1.1. Historie objevu Již v roce 1905 Henri Poincaré ve svém článku navrhoval, že se gravitace šíří v podobě gravitačních vln. O deset let později Albert Einstein v Obecné teorii relativity sdílel svůj předpoklad, že gravitace není síla, jak tvrdil Isaac Newton, 1 V astrofyzice se za kompaktní objekty považují masivní tělesa s vysokou hustotou. Patří mezi ně například černé díry nebo neutronové hvězdy. 5

nýbrž je projevem zakřivení časoprostoru, které způsobují všechna tělesa ve vesmíru. V návaznosti na svou teorii pak Albert Einstein přišel s domněnkou, že by mohly existovat gravitační vlny. První, kdo se pokusil o detekci gravitačních vln, byl marylandský fyzik Joseph Weber. Využil k tomu dvou hliníkových válců zavěšených ve vakuu. Válce byly umístěny na dvou místech vzdálených jedno od druhého 950 kilometrů, což mělo zamezit záměně lokálních šumů za gravitační vlny. Weber na nich v roce 1969 zaznamenal signály, o kterých tvrdil, že jejich původcem jsou gravitační vlny vycházející z centra naší galaxie. Tyto výsledky však nebyl nikdo jiný schopný zopakovat. Navíc by podle výpočtů Webrem naměřené vlny musely být důsledkem přeměny tak velkého množství hmoty na energii, že by naše galaxie dávno nemohla existovat. Avšak v roce 1974 došlo k objevu binárního pulsaru 2, jehož pozorování odhalilo, že dochází k vyzařování gravitační energie. Šlo o první nepřímou detekci gravitačních vln (Cervantes- Cota, 2016, cit. 28. 2. 2018). K první přímé detekci došlo 14. září 2015, tedy téměř na den sto let po jejich předpovězení Albertem Einsteinem (Levin, 2016, s. 13). 1.2. Měření gravitačních vln V současné době se gravitační vlny měří interferometry 3 ve tvaru písmene L (viz Obrázek 1); tento tvar vychází ze způsobu, jakým gravitační vlny interagují s hmotou. Ty hmotu totiž v jednom směru smršťují, ve směru kolmém ji pak naopak natahují. Abychom tyto změny dokázali identifikovat, vyšleme do ramen, ve kterých je vakuum, laserový paprsek. Ten se v místě styku obou ramen, kde se nachází rozdělovač paprsků, rozdělí na dvě části, které putují rameny až na jejich konec, kde jsou zrcadla. Od nich se laserové paprsky odrážejí a vracejí se zpět. Vzhledem k tomu, že obě ramena mají stejnou délku, měly by se oba paprsky při vzájemné interferenci vyrušit. K tomu však nedojde, pokud gravitační vlna jedno 2 Typ podvojné neutronové hvězdy. 3 Interferometr je přístroj fungující na principu interference (skládání) dvou a více světelných paprsků. 6

z ramen smrští a druhé natáhne, čímž vznikne světelný záznam na fotodetektoru 4 umístěném za rozdělovačem paprsků (LIGO Science, 2017, cit. 4. 12. 2017). Obrázek 1 interferometr (Ligo Caltech, 2017) 4 Fotodetektor je přístroj zaznamenávající světelné signály. 7

2. LIGO LIGO, neboli Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (česky Laserová interferenční observatoř pro zachycení gravitačních vln) je projekt sestávající ze dvou observatoří stojících ve Spojených státech amerických. Jedna z nich stojí v Hanfordu ve státě Washington, druhá se nachází v Louisianě v Livingstonu (Levin, 2016, s. 12). Oba detektory mají ramena dlouhá 4 kilometry a jsou v současné době největšími zařízeními tohoto typu. Délka ramen zvyšuje citlivost detektorů, jelikož světlo musí překonat větší vzdálenost. Přístroje ovšem musí být schopné zachytit změny v délkách ramen způsobené gravitačními vlnami; ty se řádově pohybují kolem 10-18 metru (přibližně jedna tisícina velikosti protonu), na což by ani čtyřkilometrová ramena nestačila. K tomu, abychom dokázali tyto změny zaznamenat, využíváme takzvaného Fabry-Perotova rezonátoru, který odráží laserové paprsky tak, že putují rameny tam a zpět. To se odehraje asi 280krát, což znamená, že citlivost přístrojů je přibližně taková, jako by ramena byla dlouhá 1120 kilometrů. Avšak aby bylo skutečně možné změřit gravitační vlny, musí obě zařízení spolupracovat. Tím, že porovnávají výsledky svých měření, totiž zabraňují záměně lokálních otřesů detektorů za gravitační vlny (LIGO Caltech, 2017, cit. 13. 12. 2017). 8

3. Šumy Vzhledem k vysoké citlivosti LIGO přístrojů jsou interferometry náchylné k zaznamenávání velkého množství různých šumů a poruch pocházejících z okolního prostředí nebo vznikajících přímo na přístrojích. Observatoře jsou od sebe vzdáleny přes 2500 kilometrů, což sice napomáhá zabránit záměně lokálních poruch za gravitační vlny, avšak i přesto je vzhledem k četnosti šumů možné, aby interferometry naměřily ve stejnou dobu podobný signál, u kterého by k záměně dojít mohlo. Z tohoto důvodu je důležité zdroje jednotlivých poruch identifikovat. To se děje na základě záznamů z fotodetektoru (Gravity Spy, 2016, cit. 2. 3. 2018). 9

4. Zooniverse Zooniverse je webová stránka zaměřující se na výzkumné projekty, kterých se může účastnit nevědecká veřejnost. Sdružuje řadu amerických a britských projektů z různých oborů, od fyziky až po historii. Přesto, že se jedná o rozličné typy výzkumu, princip veškerých projektů na Zooniverse je podobný. Dobrovolníkům jsou předložena sesbíraná data, která je potřeba nějak zpracovat podle předem daných kritérií (About Us, cit. 7. 3. 2018). 4.1. Gravity Spy NFS (National Science Foundation, česky Národní vědecká agentura) je nezávislá americká agentura podporující základní výzkum. Financuje také LIGO, což je její nejdražší projekt vůbec (Levin, 2016, s. 12). Vzhledem k velkému množství poruch naměřených interferometry poskytla NFS v roce 2016 finance pro projekt Gravity Spy, který se zaměřuje na klasifikaci jednotlivých šumů. Pro počítače je v dnešní době ještě stále poměrně složité poruchy správně zařadit nejenže jsou si mnohé typy šumů velice podobné, navíc jsou některé z nich schopné imitovat samotné gravitační vlny. Gravity Spy je založený na účasti dobrovolníků, kteří se přes portál Zooniverse mohou zapojit a rozdělovat šumy do předem určených kategorií. Na základě lidské práce se pak počítače učí samy lépe rozeznávat poruchy jednu od druhé i od signálů, jejichž původcem jsou gravitační vlny. Zároveň pak počítače zase vyberou ty šumy, které jsou o něco složitější a zajímavější, a ty pak pošlou zpátky lidem k další klasifikaci (Gravity Spy, 2016, cit. 2. 3. 2018). 10

5. Identifikace šumů Následující kapitoly se zabývají samotnou prací na projektu Gravity Spy. Projekt v současné době obsahuje téměř 450000 záznamů šumů a na jejich identifikaci se podílí něco přes 11500 dobrovolníků (Gravity Spy, 2016, cit. 16. 3. 2018). 5.1. Princip třídění Gravity Spy se dělí na pět úrovní podle obtížnosti určování šumů. Dobrovolníkům je ukázán záznam závady, jež musí porovnat se vzorovými ukázkami typů šumů. To činí zejména na základě tvaru záznamu, frekvence, času trvání a vývoji v průběhu času, ačkoliv svou roli hraje také normalizovaná energie, i když tohoto faktoru se využívá hlavně v případě, že na grafu není žádný šum. První level se nazývá Neutron Star Mountain a účastník projektu má pouze tři možnosti, jak závadu zařadit; dva typy šumů a kategorii, kam spadají ty závady, které nejsou ani jedním z typů. Na další úrovni, která nese název Galactic Supernova, již dobrovolníci zařazují šumy do pěti různých kategorií, z nichž jsou si některé podobné. Třetí level se jmenuje Neutron Star Merger a je zde již devět kategorií (a samozřejmě také možnost None of the above - tedy žádná z předešlých). Čtvrtá úroveň, Black Hole Merger, přidává další kategorie. Pátá úroveň již nové kategorie, do kterých lze šumy zařadit, nepřidává, nicméně jednotlivé šumy je od sebe těžší odlišit. Také zde účastníci narazí na velké množství šumů, které se nehodí ani do jedné z kategorií. Mezi jednotlivými levely dobrovolníci postupují podle počtu určených šumů. Dále jim je čas od času předložen takzvaný zlatý šum, jehož původ byl určen odborníky. Tyto šumy fungují jako kontrolní a jsou dalším faktorem ovlivňujícím postup na vyšší úroveň (Gravity Spy, 2016, cit. 7. 3. 2018). 5.2. Kategorie šumů Jedna z prvních dvou kategorií, se kterou se ti, kteří se účastní projektu Gravity Spy, setkají, je blip (viz Obrázek 2). Jedná se o šum krátkého trvání; blipy mají tvar protáhlé, symetrické kapky, která zasahuje do frekvencí od 30 do 500 11

Hz. Jsou nejdůležitějším typem závad, jelikož významně ztěžují záznam signálů ze slučování podvojných černých děr. Zdroj blipů stále není znám, takže je nelze ze zkoumání astrofyzikálních signálů zcela vyloučit, ani závadu odstranit z přístrojů. Někdy se na jednom záznamu může objevit více blipů najednou. V takovém případě se jedná o repeating blips (opakující se blipy). Šumy podobné blipům jsou například tomte, vypadající jako čepičky skřítků, a koi fish, název vycházející z tvaru této závady, jež připomíná kapra koi. Pravděpodobně se jedná o podkategorie blipů a ani jejich původ není určen. Obrázek 2 blip (Gravity Spy, 2016) Typickým příkladem šumu jsou různé čáry, lišící se zejména ve frekvenci, rozdíly lze však nalézt i v jejich tvaru. Scattered light (viz Obrázek 3), česky rozptýlené světlo, vzniká, když světelný paprsek v interferometru narazí do některé ze součástek. Část paprsku se totiž dokonale neodrazí/nerozdělí/není pohlcena, takže je rozptýlena a odráží se od dalších objektů v interferometru. V krátkém časovém úseku vypadá záznam tohoto šumu jako poměrně rovná čára, během delší doby se však zakřivuje. Pohybuje se většinou na frekvencích pod 30 Hz a má delšího trvání. 12

Obrázek 3 scattered light (Gravity Spy, 2016) Dalším příkladem čar jsou takzvané power line, které se objevují na frekvencích okolo 60 Hz, a dále pak násobcích tohoto čísla (120 Hz, 180 Hz, 240 Hz ). Původcem je střídavý proud, který má v USA frekvenci právě 60 Hz. 5 Tvarově nejzajímavější čarou by pak byla wandering line (viz Obrázek 4), jejíž frekvence v čase kolísá. Mohou ji způsobovat například vakuové pumpy. Obrázek 4 - wandering line (Gravity Spy, 2016) 5 V Evropě je to 50 Hz. 13

Kromě šumů se mezi vzorky výjimečně objeví i záznam gravitační vlny, nazývaný chirp (viz Obrázek 5). Má typický tvar, kdy během času roste jeho frekvence. (Gravity Spy, 2016, cit. 8. 3. 2018) Obrázek 5 chirp (Gravity Spy, 2016) Šumem, který byl jakožto nový typ identifikován jedním z dobrovolníků, je paired doves (viz Obrázek 6). Svým tvarem nápadně připomíná chirp, avšak v tomto případě se střídají části, ve kterých frekvence roste a klesá. Jeho původcem by mohl být rozdělovač paprsků v Hanfordském interferometru. (Gravity Spy, 2016, cit. 9. 3. 2018) Obrázek 6 paired doves (Gravity Spy, 2016) 14

5.3. Grafy Jedním z nejčastějších šumů, se kterým se účastníci tohoto projektu setkávají, jsou již dříve zmíněné blipy. Na Obrázek 7 vidíte příklad ukázkového blipu s téměř dokonalou symetrií. Na Obrázek 8 lze spatřit blip s malým ocáskem připomínající obrácený chirp. Obrázek 7 - blip (Gravity Spy, 2016) Obrázek 8 blip (Gravity Spy, 2016) Blipům podobná závada koi fish je velice rozmanitá. Některé z těchto šumů vypadají jako blipy, ke kterým z obou stran přisedají útvary podobné ploutvím (viz Obrázek 9), jiné koi fish se ale blipům podobají jen vzdáleně (viz Obrázek 10). 15

Obrázek 9 koi fish (Gravity Spy, 2016) Obrázek 10 koi fish (Gravity Spy, 2016) Závadou, která byla, podobně jako koi fish, pojmenována podle zvířat, je paired doves. Patří k šumům, které se při práci objevují poměrně zřídka. Vzhledově mohou lehce připomínat blipy, jelikož se občas mohou zakřivovat jen mírně, avšak na Obrázek 11 vidíte zcela typické paired doves. 16

Obrázek 11 paired doves (Gravity Spy, 2016) Na první pohled podobné opakujícím se blipům (viz Obrázek 12) je scratchy (viz Obrázek 13). Při pozorování během delšího časového úseku, jak je také vyobrazeno níže, je však nelze zaměnit. Obrázek 12 repeating blips (Gravity Spy, 2016) 17

Obrázek 13 scratchy (Gravity Spy, 2016) 5.4. Problémy během identifikace Existuje řada problémů, se kterými se účastník projektu může při své práci setkat. Tím nejtypičtějším jsou snadno zaměnitelné kategorie. Níže, viz Obrázek 14, vidíte příklad situace, ve které je šum na pomezí mezi blipem, tomte a koi fish. Ploutve, které by naznačovaly, že se jedná o koi fish, jsou pouze slabě naznačené tedy mají nízkou hladinu normalizované energie. Spodní část šumu je lehce zakulacená jako u blipu, nikoliv rovná, jak by odpovídalo tomte. Nicméně se pravděpodobně jedná o tomte, jelikož závada nemá tvar kapky, konec není zakulacený zcela tak, jako tomu bývá u blipu. Navíc blipy bývají delší, tedy zasahují do vyšších frekvencí. Některé šumy typu tomte jsou kratší, spíše menšího trojúhelníkového tvaru. 18

Obrázek 14 tomte/blip/koi fish (Gravity Spy 2016) Dalším problémem, kterému dobrovolníci musejí čelit, je případ, kdy se na grafu objeví více šumů najednou. Tým Gravity Spy doporučuje zaměřit se na šum objevující se v čase označeném jako 0.0, nicméně v případě, že má jeden z šumů výrazně větší energii než ten druhý, může být praktičtější zařadit záznam do kategorie odpovídající tomu z nich, jehož energie je vyšší. V současné době totiž není možno zařadit jeden graf do více než jedné kategorie. Příklad této situace vidíte na Obrázek 15 a Obrázek 16. Na prvním snímku, který ukazuje vývoj šumu pouze po dobu 0,5 sekundy, vidíme poměrně slabou power line. Druhý graf zobrazuje časový úsek dlouhý čtyři vteřiny, kde již lze vidět také energeticky silnější low burst 6. 6 Typ šumu, který se objevuje na nízkých frekvencích. Možná souvislost se scattered light (viz kapitola Kategorie šumů). 19

Obrázek 15 power line (Gravity Spy, 2016) Obrázek 16 power line/low burst (Gravity Spy, 2016) Situaci se dvěma různými šumy na stejném záznamu můžete vidět také na Obrázek 17. V tomto případě se však jedná o stejný typ závady, koi fish, a není tudíž problém graf správně zařadit. 20

Obrázek 17 koi fish (Gravity Spy, 2016) Problém mohou dále činit také snímky, na nichž jsou šumy velice nezřetelné, a grafy zobrazující šumy, pro které ještě neexistuje kategorie. 5.5. Závěry z práce na projektu Zachycování gravitačních signálů je velice náročná činnost. Detektory musejí být velmi citlivé, mít dostatečný frekvenční rozsah i výkon. Jenže čím citlivější jsou přístroje na gravitační vlny, tím větší množství šumů jsou schopny zaznamenat, což celý proces identifikace gravitačních vln významně stěžuje. Gravity Spy je projektem značně napomáhajícím při zpracovávání dat z interferometrů. U prvních dvou úrovní je pro lidi opravdu jednoduché od sebe šumy odlišit a po čase se jedná o práci relativně mechanickou, avšak již na třetí úrovni nastávají první (neočekávané) komplikace. Roli hrají větší drobnosti, šumy nejsou vždy dobře rozpoznatelné jeden od druhého, důležitější jsou také diskuse, a tak může dobrovolník strávit u určování jednoho šumu poměrně dlouhý čas. Jedná se však o práci důležitou a přínosnou jak pro výzkum, tak pro účastníky projektu. Ti se dozvědí více o problémech, kterým pracovníci zařízení, jako je LIGO, musejí čelit, naučí se zpracovávat data a také o věcech, o kterých se běžně tolik nemluví a většinu lidí by ani nenapadlo je hledat. Od sebe těžko odlišitelné množství čar, z nichž mnohé vzhledem k frekvenci, na jaké se objevují, nelze zařadit do žádné z kategorií, jsou předmětem častých diskusí mezi dobrovolníky. Vzniká velké množství hashtagů 21

pro jednotlivé frekvence, na nichž se čáry objevují, a pro účastníky projektu může být složité se v nich vyznat. Jen o málo méně matoucí jsou diskuse ohledně ostatních šumů, pro něž v současné době neexistuje oficiální kategorie. Používá se řada různých označení, z nichž některá jsou již uznávána odborníky, byť v současné době nebyla zařazena do samotného procesu identifikace; avšak informace o nich se hledají poměrně složitě právě po diskusích a bohužel nemají své místo v oficiálních textech pro účastníky projektu. 22

6. Budoucnost výzkumu Veškeré doposud zachycené signály gravitačních vln byly způsobeny splynutím černých děr. Abychom byli schopni změřit i gravitační vlny z jiných zdrojů, je třeba neustále vylepšovat naše detektory. K snazšímu určování gravitačních signálů tak vzniká řada projektů. V loňském roce (tj. 2017) byla dokončena rekonstrukce největšího evropského interferometru VIRGO. Stojí v Itálii a délka jeho ramen je 3 kilometry. V srpnu 2017 zachytil tento interferometr ve spolupráci s LIGO první gravitační signál. V Japonsku se staví interferometr KAGRA. Jedná se o stejný typ, jako jsou LIGO a VIRGO. KAGRA bude stát v podzemním tunelu a jako první detektor tohoto druhu využije chladicích systémů. Dále se také připravuje projekt elisa. Mělo by jít o vesmírný detektor s délkou ramen 1 milion kilometrů a k jeho spuštění by mělo dojít v roce 2034 (Kulhánek, 2017, cit. 8. 3. 2018). 23

Závěr Práce na projektu Gravity Spy, jež se před svým započetím jevila jako jednoduchá, se ukázala být mnohem složitější. Přesto se mi podařilo splnit vytyčené cíle a to nejen v části teoretické, ale i v části praktické. Dokázala jsem tématu v rámci svých možností porozumět a zpracovat jej. Velké díky za to patří Prof. RNDr. Petru Kulhánkovi, CSc., který mi poskytl konzultaci, a také vedoucí práce, paní učitelce Šárce Kvasničkové, která setkání s profesorem Petrem Kulhánkem umožnila, a navíc mi sama v průběhu psaní seminární práce poskytovala řadu konzultací. V rámci účasti na projektu Gravity Spy jsem identifikovala přes 2500 šumů a dosáhla čtvrté úrovně. Několik desítek záznamů závad jsem uchovala, abych je mohla použít ve své práci. Vzhledem k omezenému rozsahu práce a svým časovým možnostem jsem se bohužel nemohla do detailu zabývat všemi typy poruch a využít všechny uložené grafy. Vybrala jsem tedy ty nejzajímavější z nich a rozepsala jsem se o nich v kapitolách Kategorie šumů, Grafy a Problémy během identifikace. 24

Zdroje About Us. Zooniverse [online]. Dostupné z: https://www.zooniverse.org/about CERVANTES-COTA, Jorge, Salvador GALINDO-URIBARRI a George SMOOT. A Brief History of Gravitational Waves. Universe [online]. 2016, 2(4). DOI: 10.3390/universe2030022. ISSN 2218-1997. Dostupné z: http://www.mdpi.com/2218-1997/2/3/22 Gravity Spy. Zooniverse [online]. 2016. Dostupné z: https://www.zooniverse.org/projects/zooniverse/gravity-spy KULHÁNEK, Petr. Nobelova cena za gravitační vlny aneb i Virgo se probouzí [online]. 2017. Dostupné z: http://www.aldebaran.cz/bulletin/2017_34_nob.p LEVIN, Janna. Vesmírné blues: černé díry, gravitační vlny a historie epochálního objevu. V Praze: Paseka, 2016. ISBN 978-80-7432-746-9. LIGO Caltech. Ligo Caltech [online]. Dostupné z: https://www.ligo.caltech.edu/ LIGO Science. LSC - LIGO Scientific Collaboration [online]. Dostupné z: http://www.ligo.org 25