..G.R

.A

. V. I. T. A. Č. N. Í.. V. L. N. Y

a jiné příze

.. Obsah...1 Ať žijí vlny aneb vlním, vlníš, vlníme ......2 Gravitace poprvé: budiž Newton!

Problémy Newtonovy teorie...3 Gravitace podruhé: Eisteinova oprava...4 Zdroje gravitačních vln...5 Vlastnosti gravitačních vln...6 První detektory gravitačních vln...7 Binární pulsary...8 Laserové interferometry...9 GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC...10 (Pokus o) výhled do budoucnosti...11 Einstein@Home...12 Další prameny

2 / 119

.. Ať žijí vlny aneb vlním, vlníš, vlníme …

vlnění hlavním zdrojem informací nejen ovesmíruaž do roku v astronomii 1932 pouze„optické okno“

3 / 119

.. Ať žijí vlny aneb vlním, vlníš, vlníme …

4 / 119

.. Elektromagnetické vlny

Maxwell J C 1865 A Dynamical Theory of theElectromagnetic Field Phil. Trans. R. Soc. Lond. 155459–512

Maxwell J C 1873 A treatise on electricity andmagnetism (Oxford: Clarendon Press)

James Clerk Maxwell(1831–1879)

5 / 119

.. Elektromagnetické vlny

Heřman J 2006 Od Jantaru k tranzistoru. Elektřina amagnetismus v průběhu staletí (Praha: FCC Public)

Maxwell J C 1865 A Dynamical Theory of theElectromagnetic Field Phil. Trans. R. Soc. Lond. 155459–512

Maxwell J C 1873 A treatise on electricity andmagnetism (Oxford: Clarendon Press)

James Clerk Maxwell(1831–1879)

6 / 119

.. Elektromagnetické vlny

Hertzova laboratoř v KarlsruheZdroj: Baird D. et al 2013 Heinrich Hertz: ClassicalPhysicist, Modern Philosopher Springer Science &Business Media

Hertz H 1887 Ueber sehr schnelle electrischeSchwingungen Ann. Phys. 267 421–448

Heinrich Rudolf Hertz(1857–1894)

asi 25 letod teorie

k experimentálnímudůkazu

7 / 119

.. Gravitace poprvé: budiž Newton!

gravitace – nejslabší interakce, veVesmíru dominantníinformace o hvězdách, mlhovinách,galaxiích, kvazarech, …pomocí elmag.záření (popř. neutrin, kosmického záření)– gravitační „symfonii“ posloucháme sklapkami na uších„Matematické základy přírodních věd“(1686 – 1687)

. Newtonův gravitační zákon..

......

F = −G m1m2

r3 r ,

G = κ = 6,673 84(80)×10−11 N·m2·kg−2

8 / 119

.. Gravitace poprvé: budiž Newton!

. Newtonův gravitační zákon..

......

F = −G m1m2

r3 r ,

G = κ = 6,673 84(80)×10−11 N·m2·kg−2

Woolsthorpe manorodrůda Flower of Kentstrom do roku 1820

9 / 119

.. Ověřování Newtonovy teorie

gravitační vliv sopky Chimborazo(Ekvádor, 6 263m): Pierre Bouguer,Charles Marie de La Condamine pomocíkyvadla (přesnost a průkaznost?); 1738,publikováno 1749Henry Cavendish 1797–1798

10 / 119

.. Problémy Newtonovy teorie

okamžité působení na dálkuco to vlastně je???(Hypotheses non fingo –2. vydání Principií)ale ve sluneční soustavě s tímVĚTŠINOU vystačíme!Einsteinova nejšťastnějšímyšlenka =⇒ principekvivalence

11 / 119

Cementerio de Trenes, poblíž města Uyuni (JZ Bolivie)

„Hmota říká prostoru, jak se zakřivovat a prostor říká hmotě, jakse pohybovat.“ John Archibald Wheeler (1911–2008)

Obrázek: Misner C W, Thorne K S a Zurek W H 2009 John Wheeler,relativity, and quantum information Physics Today 62 40–46

Misner C, Thorne K S a Wheeler J A 1973 Gravitation (SanFrancisco: W. Freeman)

15 / 119

.. Dlouhá cesta k rovnicímmatematický aparát: Georg A. Pick(Praha), Marcel Grossmann (Zürich1912)červen 1915: přednášky v GöttingenBerlín: čtvrtek 4. 11. 1915, 11. 11.,18. 11. (stáčení perihelia) a 25. 11.únava, žaludeční problémyHilbert: přednáška 16. 11., 20. 11. (vyšla31. 3. 1916, korektura přijata 6. 12.);20. 12. dopis Einsteinovi; variační princip(× Newton a Leibniz)Janssen M a Renn J 2015 Arch and scaffold:How Einstein found his field equations PhysicsToday 68 30–36Grygar J 2015 Prolínání astronomie a relativity(1919–2014) PMFA 60(3) 189–202Novotný J 2015 100 let obecné teorie relativityPMFA 60(3) 177–88Semerák O 2015 Albert Einstein a století obecnérelativity PMFA, 60(3) 215–238. 16 / 119

.. Dlouhá cesta k rovnicímmatematický aparát: Georg A. Pick(Praha), Marcel Grossmann (Zürich1912)červen 1915: přednášky v GöttingenBerlín: čtvrtek 4. 11. 1915, 11. 11.,18. 11. (stáčení perihelia) a 25. 11.únava, žaludeční problémyHilbert: přednáška 16. 11., 20. 11. (vyšla31. 3. 1916, korektura přijata 6. 12.);20. 12. dopis Einsteinovi; variační princip(× Newton a Leibniz)Janssen M a Renn J 2015 Arch and scaffold:How Einstein found his field equations PhysicsToday 68 30–36Grygar J 2015 Prolínání astronomie a relativity(1919–2014) PMFA 60(3) 189–202Novotný J 2015 100 let obecné teorie relativityPMFA 60(3) 177–88Semerák O 2015 Albert Einstein a století obecnérelativity PMFA, 60(3) 215–238. 17 / 119

.. Dva rivalové v cílové rovině?

http://www.einstein.caltech.edu

Einstein A 1915. Die Feldgleichungen derGravitation. Sitzungsberichte derPreussischen Akademie der Wissenschaftenzu Berlin 844–847 (přednáška z 25. 11.,vyšla 2. 12. 2015).

Einstein A 1916 Die Grundlage derallgemeinen Relativitätstheorie Annalen DerPhysik 354(7), 769–822

18 / 119

.. Malý dodatek: kosmologická konstanta

Einstein A 1917 Kosmologische Betrachtungen zur allgemeinenRelativitätstheorie Sitzungsberichte der Königlich Preußischen Akademie derWissenschaften 142–152 19 / 119

.. Malý dodatek: kosmologická konstanta

.„Obvyklý“ tvar..

......

Rµν −1

2Rgµν +Λgµν =

8pGc4 Tµν

20 / 119

„Ve světle již nabytéhopoznání se nám zdálo to,čeho jsme šťastně dosáhli,téměř samozřejmé, a každýinteligentní student topochopí bez přílišné námahy.Ale hledání v temnu, plnépředtuch a trvající roky,napjatá touha, střídánínaděje a skleslosti a konečněproniknutí k pravdě, to znájen ten, kdo to sám zažil.“

Einstein A 1966 Jakvidím svět (Praha:Československýspisovatel)

22 / 119

Obecná teorie relativity Váspřesvědčí, až ji prostudujete.Proto ji nehájím jedinýmslovem.Arnoldu Sommerfeldovi8. 2. 1916

Jasně, správnou teoriígravitace je obecná relativita.

A pokud není, tak byrozhodně měla být.

Ivor M. Robinson

.. Gravitace podruhé: Eisteinova opravaEinstein na zasedání Pruské akademievěd (25. 11. 1915): nový nástrojk výpočtům – OTRKarl Schwarzschild: prostoročas vně(22. 12. 2015)/uvnitř (6. 2. 2016) sférickénerotující hvězdy, kritický poloměr stejnýjako Michellův

rg =2GM

c2 = 2M

† 11. 5. 1916, autoimunitní onemocněníkůže a sliznice

.

......

Gravitace jedůsledkem zakřiveníprostoročasu!

ředitel hvězdárenv Göttingen a Potsdami

24 / 119

.. Gravitace je důsledkem zakřivení prostoru a času

25 / 119

.. Gravitace je důsledkem zakřivení prostoru a času

gravitace je důsledkem zakřiveníprostoru a časukaždý hmotný bod měnígeometrické vlastnostiprostoročasu ve svém okolí(dokonce strhává k rotaci) =⇒žádná sílazákladní experimenty: posunperihelia, ohyb světelnýchpaprsků, gravitační rudý posuv,zpožďování radarových signálů –mnohokrát experimentálněověřeno

Ullmann V 1986 Gravitace,černé díry a fyzikaprostoročasu (Ostrava: ČAS)http://www.sweb.cz/AstroNuklFyzika/GravitCerneDiry.htm

26 / 119

.. Gravitace je důsledkem zakřivení prostoru a času

gravitace je důsledkem zakřiveníprostoru a časukaždý hmotný bod měnígeometrické vlastnostiprostoročasu ve svém okolí(dokonce strhává k rotaci) =⇒žádná sílazákladní experimenty: posunperihelia, ohyb světelnýchpaprsků, gravitační rudý posuv,zpožďování radarových signálů –mnohokrát experimentálněověřeno

27 / 119

New York Times, 191928 / 119

29 / 119

.. Počítačové simulaceBakala P, et al 2005. Virtual trip to the black holehttp://www.physics.cz/research/publications/1143473492_0.ppt.

30 / 119

.. Počítačové simulaceBakala P, et al 2005. Virtual trip to the black holehttp://www.physics.cz/research/publications/1143473492_0.ppt.

31 / 119

..

Thorne K S 2004 Černé díry azborcený čas (Pozoruhodnádědictví Einsteinova génia)(Praha: Mladá fronta)

Obrázek: https://caltechy.org

..

Ferreira P G 2015 Nádherná teorie (Praha: Vyšehrad).http://www.ivysehrad.cz/kniha/bezchybna-teorie/Obrázek: http://eltrompellot.blogspot.cz/2015/01/un-nou-llibre-sobre-la-teoria-de-la.html

Zdroj: https://www.mpg.de/9966773/background

.. Předpověď gravitačních vln

Einstein si uvědomil možnostexistence grav. vln (1916, 1918):jestliže se zdroj deformacíprostoročasu periodicky pohybuje(dvojhvězdný systém),prostoročas by měl vibrovat

Poincaré H 1905 Sur la dynamiquede l’électron Comptes Rendus del’Académie des Sciences 1401504–1508 (1906 Rendiconti delCircolo Matematico di Palermo 21129–176)Einstein A 1916 Die Grundlage derallgemeinen Relativitätstheorie Ann.Phys. 354 769–822Einstein A 1918 ÜberGravitationswellen Sitzungsberichteder Königlich Preußischen Akademieder Wissenschaften (Berlin), Seite154-167.

35 / 119

.. Předpověď gravitačních vln

http://www.academie-sciences.fr/pdf/dossiers/Poincare/Poincare_pdf/Poincare_CR1905.pdf

http://henripoincarepapers.univ-lorraine.fr/chp/hp-pdf/hp1906rpen.pdf (překlad Scott Walter)

Henri Poincaré(1854–1912)

36 / 119

37 / 119

38 / 119

..

Einstein 1916:existence gravitačních vlnšíření rychlostí světlapříčné vlny

Einstein 1936 v dopise Maxu Bornovi:„…dospěl k k výsledku, že gravitační vlny neexistují, ačkoli byly považoványza jisté v první aproximaci, že nelinerátní rovnice pole nám mohou říci více,nebo nás spíše omezují více, než jsme si dosud mysleli“. …„jen kdyby nebylo takzatraceně obtížné najít rigorózní řešení“.

Einstein A a Rosen N 1937 On gravitational waves Journal of theFranklin Institute 223 43–54

Kennefick D 2005 Einstein versus the Physical Review Phys. Today 5843–48

39 / 119

.. Zdroje gravitačních vln

binární systémy, supernovy,srážky černých děr, velký třeskvlny nesou informaci o těchtodějích (např. velkoškálovástruktura Vesmíru)

40 / 119

.. Vlastnosti gravitačních vln

šíří se rychlostí světla, příčné vlny(jako elmag.!)vlastně periodická deformaceslapových účinků – relativnízrychlení částic kolmo na směr šířenívelmi slabé; relativní změnavzdálenosti dvou testovacích částic

h =∆LL < 10−21 !!!

jako 1AU s přesností 1 atomuhorní odhad

h ≦ 2GMc2r ≈ 3× 10−19 M

M⊙

1×106 lyr

41 / 119

.. Vlastnosti gravitačních vln

.animace .příchod za Zemi .měřítko změny

42 / 119

.. Detektory gravitačních vln

počátkem 60. let 20. století Joseph Weber(1919 – 2000); gravimetr pro Apollo 17velké hliníkové válce (Maryland, Chicago,1,5 t), rezonancí se rozkmitají (≈ 1 660Hz),h ≈ 10−16

později i kvantové senzory, chlazení (italskésuperkryohenní projekty NAUTILUS aAURIGA při T = 0,01Khttp://www.auriga.lnl.infn.it)nevýhoda: „naladění“ (asi 900Hz)

43 / 119

.. Binární pulsary

44 / 119

45 / 119

..Zdroj: Radio Astronomy Heritage and Education Centrehttp://www.phy.cam.ac.uk/research/research-groups/ap/heritage

46 / 119

Radioteleskop Arecibo, Portoriko

47 / 119

Těžký tekutý vnitřekpřevážně neutronya jiné těžší částice

Pevný povrch~ 1,5 km

Neutronová hvězda~1,5 hmotností Slunce

~19 km v průměru

Hustotakolem 1017 kg/m3

Silné magnetické pole 104–1011 T

48 / 119

.. Binární pulsary

Antony Hewish a Jocelyn Bell (1967): prvnípulsar, NC 1974 s Martinem Ryleemperioda rotace 0,0016− 4 sJoseph Taylor a Russell Hulse (1974):binární pulsar PSR1913+16: hmotnosti1,441M⊙ a 1,387M⊙, T = 7,75193909 h,zkracuje se o 76 µs·rok−1, přibližování o3,5m·rok−1 (Země 1mm/Gy), vzdálenost0,746− 3,154 · 106 km (1,1R⊙–4,8R⊙),NC 1993

Hewish A, et al B 1968 Observation of aRapidly Pulsating Radio Source Nature 217709–713Hulse R A a Taylor J H 1975 Discovery of apulsar in a binary system The AstrophysicalJournal Letters 195 L51–L53

49 / 119

.. Binární pulsary

50 / 119

.. Binární pulsary

Zdroj: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/astro/pulsrel.html51 / 119

.. Binární pulsary Millise ond Pulsars 3cylinder

rotation axis

lightfieldlinesclosed

fieldlinesopen

magnetic axis

radio beam

0 50 100 150 200 250 300 350Longitude [deg]

PSR B1133+16Average profileFig. 1. (left) A pulsar is a rotating, highly magnetised neutron star. A radio beam entred on the magneti axis is reated at some height above the surfa e. The tiltbetween the rotation and magneti axes makes the pulsar in e�e t a osmi lighthousewhen the beam sweeps around in spa e. (right) Individual pulses vary in shapes andstrength (top) average pro�les are stable (bottom). The typi al pulse width is only�4% of the period.metres, resulting in brightness temperatures of up to 1037 K [11℄. Su h valuesrequire a oherent emission me hanism whi h, despite 35 years of intensive re-sear h, is still unidenti�ed. However, we seem to have some basi understanding,in whi h the magnetized rotating neutron star indu es an ele tri quadrupole�eld whi h is strong enough to pull out harges from the stellar surfa e (theele tri al for e ex eeds the gravitational for e by a fa tor of � 1012!). The mag-neti �eld for es the resulting dense plasma to o-rotate with the pulsar. Thismagnetosphere an only extend up to a distan e where the o-rotation velo -ity rea hes the speed of light1. This distan e de�nes the so- alled light ylinderwhi h separates the magneti �eld lines into two distin t groups, i.e. open and losed �eld lines. The plasma on the losed �eld lines is trapped and o-rotateswith the pulsar forever. In ontrast, plasma on the open �eld lines an rea hhighly relativisti velo ities and an leave the magnetosphere, reating the ob-served radio beam at a distan e of a few tens to hundreds of km above the pulsarsurfa e (e.g. [12℄, see Fig. 1).1 Stri tly speaking, the Alfv�en velo ity will determine the o-rotational properties ofthe magnetosphere.52 / 119

.. Binární pulsar J0737-3039objev v roce 2003, T = 2,4 h, ω̇ = 16,88± 0,09 °/year,splynutí asi za 85miliónů letBurgay[ová] M[arta], et al 2003 An increased estimate of the mergerrate of double neutron stars from observations of a highly relativisticsystem Nature 426 531–533

18 Mi hael KramerFig. 4. (left) Shift in the periastron passage of the DNS PSR B1913+16 plotted asa fun tion of time, resulting from orbital energy loss due to the emission of gravita-tional radiation. The agreement between the data, now spanning almost 30 yr, andthe predi ted urve due to gravitational quadrupole wave emission is now better than0.5%. Figure provided by Joel Weisberg and Joe Taylor. (right) \Mass-mass" diagramshowing the observational onstraints on the masses of the neutron stars in the double-pulsar system J0737{3039. The shaded regions are those whi h are ex luded by theKeplerian mass fun tions of the two pulsars. Further onstraints are shown as pairs oflines en losing permitted regions as predi ted by general relativity: (a) the measure-ment of _! gives the total system massmA+mB = 2:59 M�; (b) the measurement of themass ratio R = mA=mB = 1:07; ( ) the measurement of the gravitational redshift/timedilation parameter ; (d) the measurement of the two Shapiro delay parameters r ands. Inset is an enlarged view of the small square en ompassing the interse tion of thethree tightest onstraints, representing the area allowed by general relativity and thepresent measurements.general relativity is the orre t theory of gravitation, the deviation from thepredi ted value and the measured proper motion, �, an be used to ompute thene essary orre tion and hen e the distan e to the pulsar, d = 1:02� 0:05 kp [41℄.5.3 Tests Using Pro�le Stru ture DataIn addition to the use of pulsars as lo ks, strong gravity e�e ts an also betested using pulse stru ture data, namely the e�e ts of \geodeti pre ession" inthe DNSs PSR B1913+16 and PSR B1534+14. In both ases, the pulsar spinaxis appears to be misalignedwith the orbital angular momentumve tor. In su ha ase, general relativity predi ts a relativisti spin-orbit oupling, analogousto spin-orbit oupling in atomi physi s. The pulsar spin pre esses about thetotal angular momentum, hanging the relative orientation of the pulsar towards

53 / 119

změna energie, momentu hybnosti a hlavní poloosy binárníhosystému v důsledku vyzařování gravitačních vln (průměry za jednuperiodu)

Peters P C 1964 Gravitational Radiation and the Motion of TwoPoint Masses Phys. Rev. 136 B1224–1232

54 / 119

55 / 119

.. Laserové interferometry

Podolský J Pátrání po gravitačních vlnáchhttp://utf.mff.cuni.cz/~podolsky/gravlny2/gravitvln.htm

56 / 119

.. Laserové interferometry

Novotný J 2016 Gravitační vlny: historie, současnost, perspektivy Čs. čas. fyz.66 144–148

57 / 119

.. Laserové interferometry

příprava od 80. let 20. století,širokospektrálníRainer Weiss a Robert Forwardperiodický posun interferenčních proužkůúměrný h .animace

90. léta Kip Thorn a Ronald Drever (Caltecha MIT) – MARK2, ramena 40m, citlivost10−18

vyšší přesnost:stabilní pevnofázový Nd:YAG laser, 10W,λ = 1 064 nmkřemenná zrcadla (rozměry asi 25 cm,hmotnost 11 kg, odrazivost 99,999 998vysoký stupeň vakua, závěsy, odrušenívibracíprodloužení ramen: TAMA300, GEO600LIGO (4 km), VIRGO (3 km)

58 / 119

.. Laserové interferometry

vyšší přesnost:stabilní pevnofázový Nd:YAG laser, 10W,λ = 1 064 nmkřemenná zrcadla (rozměry asi 25 cm,hmotnost 11 kg, odrazivost 99,999 998vysoký stupeň vakua, závěsy, odrušenívibracíprodloužení ramen: TAMA300, GEO600LIGO (4 km), VIRGO (3 km)

LIGO (http://www.ligo.caltech.edu)dva 3 000 km vzdálené detektory: Hanford(Washington), Livingstone (Louisiana),největší citlivost okolo 100Hz, pět cyklůměření, dosaženo h = 10−21

VIRGO (http://www.ego-gw.it)Cascina nedaleko Pisy, největší citlivostokolo 10Hz; (lze najít na Google maps)

59 / 119

.. Laserové interferometry

60 / 119

.. Laserové interferometry

61 / 119

.. Laserové interferometry

62 / 119

.. Advanced Virgo

.

...... http://www.virgo-gw.eu

Santo Stefano, Toskánskov provozu od roku 2007, neustále sevylepšujeramena 3 km, efektivní délka 100 km

63 / 119

.. Laserové interferometry

2008: „Enhanced LIGO“, citlivostdvojnásobná, 2× delší dosah (potenciálníchzdrojů 8× více)„Advanced LIGO“ a „Advanced Virgo“,výkon laserů 20W, těžší a větší zrcadla(40 kg) na křemenných vláknech s několikanásobnou aktivní seismickou izolacítlak v trubicích < 1 µPah < 10−23 pro 80–500Hzplánovaná citlivost 2021rozsáhlá mezinárodní spolupráce

64 / 119

.. Laserové interferometry

65 / 119

.. Laserové interferometry

LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, Abbott B P, et al 2016GW150914: The Advanced LIGO Detectors in the Era of First DiscoveriesPhys. Rev. Lett. 116 131103

66 / 119

.. Laserové interferometry

v oblasti nižších frekvencí seismický šum (pohyb kontinentů, vzdušných hmot,slapové síly), tepelný šum (atomy a molekuly detektoru); v oblasti vyšších frekvencífotonový šum; elektrická síť 60 Hz, závěsy kyvadel 500 Hz, kalibrační signály(33 Hz–38 Hz, 1 080 Hz) 67 / 119

.. Laserové interferometry

68 / 119

.. Laserové interferometry

69 / 119

.. Laserové interferometry

70 / 119

.. LIGO Science Collaboration

http://www.zeemaps.com/pub?group=1820545

71 / 119

.. MinutePhysics

https://www.youtube.com/watch?v=YHS9g72npqAhttp://www.ligo.org/multimedia.php

72 / 119

.. GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC

.. GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC

David Reitze (Executive Director of LIGO): „Ladies and gentlemen, wehave detected gravitational waves. We did it!“Tisková konference 11. 2. 2016, Washington, D.C.

https://youtu.be/aEPIwEJmZyE74 / 119

.. GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC

Abbott B P, et al (LIGO Scientific Collaboration and VirgoCollaboration) 2016 Observation of Gravitational Waves from aBinary Black Hole Merger Phys. Rev. Lett. 116 61102https://papers.ligo.org (1 010 fyziků, 133 institucí)

75 / 119

.. Doba života hvězd

Ejnar HertzsprungHenry NorrisRussell okolo roku1910doba života hvězdyhlavní posloupnosti

T ≈(

M⊙M

)2.5

T⊙

76 / 119

.. GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC

.animace pozadí .animace splynutí

78 / 119

.. GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC

Výběr z databáze 250 000 vzorků numericky „čirpových profilů“ vypočítaných prorůzné hmotnosti, rotační rychlosti a další parametry, a = 0,67, z = 0,1

79 / 119

.. GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC

www.ligo.caltech.edu/page/detection-companion-papershttps://losc.ligo.org/events/GW150914/

80 / 119

.. GW150914, 14. 9. 2015, 09:50:45.39 UTC

81 / 119

Carr B J a Rees M J1979 The anthropicprinciple and thestructure of thephysical worldNature 278 605–12Begelman M a ReesM 2013 Osudovápřitažlivostgravitace (Praha:Argo/Dokořán)

83 / 119

.. Velikost pozorovaných ČD

84 / 119

.. ČD hvězdných velikostí

85 / 119

.. Advanced praktikum: zkuste si analýzu dat

https://losc.ligo.org/s/events/GW150914/GW150914_tutorial.html

„whitening“: fluktuace šumu větší na nižších frekvencích a blízko„spektrálních čar“ =⇒ vyrovnání„chirp signal“ trval 0,2 s, 8 cyklů, frekvence 35Hz→250Hz .animace

http://www.soundsofspacetime.org

86 / 119

.. Advanced praktikum: zkuste si analýzu dat

https://losc.ligo.org/s/events/GW150914/GW150914_tutorial.html

„whitening“: fluktuace šumu větší na nižších frekvencích a blízko„spektrálních čar“ =⇒ vyrovnání„chirp signal“ trval 0,2 s, 8 cyklů, frekvence 35Hz→250Hz .animace

http://www.soundsofspacetime.org

87 / 119

.. Další zajímavosti

zářivý výkon při splynutí 3,6×1049 W 10× > zářivý výkon všechhvězd viditelného vesmíruhmotnost gravitonu by způsobila disperzi vln (s nižší f pomaleji):nebylo pozorovánomg < 2,1×10−58 kg = 1,2×10−22 eV/c2

88 / 119

.. Fermi Gamma-ray Space Telescope event?

gamma-ray burst > 50 keV o 0,4 s po události LIGO eventpravděpodobnost šumu nebo náhody 0,22% (???)diskuse, zda při splynutí γ záblesky vznikají nebo ne

Ackermann M, et al 2016 Fermi-LAT Observations of the LIGO EventGW150914 Astrophysics Journal 823 L2 (Preprint arXiv:1602.03920[astro-ph.HE])

89 / 119

.. Druhá detekce: GW151226

LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration, Abbott B P, et al 2016GW151226: Observation of Gravitational Waves from a 22-Solar-Mass BinaryBlack Hole Coalescence Phys. Rev. Lett. 116 241103

92 / 119

.. Druhá detekce: GW151226

.animace

95 / 119

.. Druhá detekce: GW151226

.animace

96 / 119

30. 11. 2016: second run of aLIGO a GEO600

.. Podzemní detektory třetí generace

..http://www.et-gw.eu

.. (Pokus o) výhled do budoucnosti

.. Spektrum gravitačních vln

.. eLISA – další krok?

rozměry na Zemi nelze neomezenězvětšovat (cena vakuového systému,zakřivení), seismické procesyneumožňují měřit pod 1HzESA: eLISA (Evolved LaserInterferometer Space Antenna):

90-tá léta: první plány2011: NASA odstupuje =⇒ NewGravitational-wave Observatory(NGO); zamítnuto finacování2013: Cosmic Vision science(program ESA), start 2034???

.

...... www.elisascience.org

104 / 119

.. eLISA – další krok?

rovnostranný △ o straně1 000 000 km, sleduje dráhu Zeměgeodetická „bezsilová trajektorie“ (×tlak záření, magnetické pole, …) =⇒referenční krychle (46mm) z Pt a Au,1,96 kg, jemné trysky s tahem µN;stěny krychle zároveň zrcadlemvýhody:

h < 10−21

bez seismického rušeníjiný frekvenční rozsah≈1mHz – 100mHz: kompaktníbinární systémy

h ≈(

GMRc2

)2 RD

nevýhody: cena miliardy dolarů (?)

.

...... www.elisascience.org

105 / 119

.. eLISA – další krok?

106 / 119

.. eLISA – další krok?

107 / 119

.. eLISA – další krok?

objekty v blízkosti jádra Galaxie (spirálují do ČD), raný vesmír (extradimenze, kosmické struny?), zpřesnění H0, hmotnost gravitonu (?)

108 / 119

.. LISA Pathfinder

testovací sonda, start: 3. 12. 201516. 2. 2016 uvolněny testovací hmotnosti(38 cm ode sebe)1. 3. 2016 začátek měření, 7. 6. 2016první výsledky

110 / 119

7. 6. 2016: výsledky předčily očekávánína frekvencích 1–60 mHz limit odrazu molekul řídkého plynu

.. LISA Pathfinder

Armano M, et al 2016 Sub-Femto-g Free Fallfor Space-Based Gravitational WaveObservatories: LISA Pathfinder Results Phys.Rev. Lett. 116 231101

112 / 119

.. Einstein@Home: zapojte svůj počítač

http://einstein.phys.uwm.eduCenter for Gravitation and Cosmology(University of Wisconsin-Milwaukee), MaxPlanck Institute for Gravitational Physics(Hannover)asi 430 000 dobrovolníků, 228 zemí, CzechNational Team 7. (3746 členů)„podezřelý vzorek“ =⇒ dodatečnépozorování objektuuživatelé, kteří analyzovali údaje, v nichž bylnalezen kandidát na pulzar – poděkování vevědeckém článkusrpen 2010: Chris and Helen Colvin (Ames,Iowa) a Daniel Gebhardt (Universität Mainz),vzorek signálů z Arecibo Observatory

Brazier A, et al 2010 Pulsar Discoveryby Global Volunteer Computing Science329 1305 (Preprint arXiv:1008.2172[astro-ph.GA])

pulsar PSR J2007+2722(rotace 41 Hz), součást

Mléčné dráhy asi 17 000 ly(Lištička), není dvojhvězda

113 / 119

.. Einstein@Home: zapojte svůj počítač

4th Einstein@Home survey for gamma-raypulsars (FGRP4, data z Fermi Gamma-raySpace Telescope, 2014-2015)13 γ-pulsarů, určeny parametry pulsarů

PeRu (Czech Republic), J1350-6225,19. 6. 2015Bryden Kanngiesser (Canada)

dobrovolníci celkem 18 pulsarů

114 / 119

Gravity Spy

www.zooniverse.org/projects/zooniverse/gravity-spy/

.. Další prameny: články v češtině a slovenštině

Galis R 2016 Gravitačné vlny – po sto rokoch potvrdené Kozmos 48(3)10–16Ledvinka T a Bičák J 2016 Pozorování gravitačních vln ze srážkyčerných děr Čs. čas. fyz. 66 70–73Lucianetti A, et al 2016 Faradayovy izolátory pro detektory gravitačníchvln LIGO a pro vysokovýkonné lasery Čs. čas. fyz. 66 74–77Novotný J 2016 Gravitační vlny: historie, současnost, perspektivy Čs.čas. fyz. 66 144–148Podolský J 2005 Teorie gravitačního záření Čs. čas. fyz. 55 86–93http://utf.mff.cuni.cz/popularizace/LISA/cscasfyz2005.pdfPodolský J 2010 Gravitační vlny a jejich detektory Astropis Speciál34–37http://utf.mff.cuni.cz/popularizace/LISA/Astropis_2010.pdfPodolský J 2016 První přímá detekce gravitačních vln sto let po jejichpředpovědi Albertem Einsteinem Astropis(1) 14–16http://utf.mff.cuni.cz/popularizace/LISA/Astropis_2016.pdfPodolský J 2016 Gravitační vlny poprvé zachyceny: GW150914 ze srážkyčerných děr PMFA 61 89–105.Stuchlík Z 2016 Registrace gravitační vlny Vesmír 95 288–289

116 / 119

.. Videa online

Jiří Podolský – Gravitační vlny po 100 letech potvrzeny! (ÚMKP26.2.2016): https://youtu.be/mhUS9arge94Prof. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc., MFF UK Praha – Einsteinovygravitační vlny konečně prokázány!: https://youtu.be/ogj-jr3KPso?list=PLNn4rgcKoGfp9VX-55cWubyFqovsRyv05Bičák, Heyrovský, Langer, Ledvinka, Podolský – Přímá detekcegravitačních vln (MFF FDP 25.2.2016):https://youtu.be/FhggaMyEIlIPetr Kulhánek – Mají gravitační vlny naději? (Štefánikova hvězdárna,Aldebaran 21.2.2016): https://youtu.be/y0qLPOLUeM8

117 / 119

Reiner Weiss (*1932): „Totopozorování je krásně popsánoEinsteinovou obecnou teorií relativityformulovanou před 100 lety apředstavuje první test teorie v oblastisilné gravitace. Bylo by úžasnésledovat Einsteinovu tvář, kdybychommu o tom mohli říci.“

Kip Thorne (*1940): „S tímtoobjevem my lidé stojíme na prahujedinečného nového pátrání:zkoumání zakřivené strany vesmíru –objektů a jevů, které jsou vytvořenyzakřiveným prostoročasem. Srážejícíse černé díry a gravitační vlny jsounaše první krásné příklady.“

„Správná odpověď je málokdy takdůležitá jako správná otázka.“

Rainer Weiss, Kip Thorne,David Reitze

Zdroj: http://www.ottawacitizen.com/technology/Rainer+Weiss+Thorne+David+Reitze/11712943/story.html

Lukáš Richtereklukas.richterek@upol.cz

Katedra experimentální fyziky PřF UP17. listopadu 1192/12, CZ-771 46 Olomouc

http://muj.optol.cz/~richterek/http://www.slideshare.net/lrichterek

119 / 119