Astronomové zachytili gravitační vlny staré přes 13 miliard let z raného vesmíru

Astronomové detekovali extrémně nízkofrekvenční gravitační vlny, jejichž zdrojem jsou rozsáhlé sítě pulsarů rozmístěných napříč galaxií. Tento druh měření, označovaný jako pulsar timing array, umožňuje vědcům zachytit gravitační vlny s mnohem delší vlnovou délkou, než jaké dokážou zaznamenat pozemské detektory typu LIGO či Virgo. Zatímco tyto pozemní observatoře reagují na krátké a intenzivní signály z kolizí černých děr hvězdné velikosti, sítě pulsarů dokážou postihnout vlny rozprostřené na časové škále let až desetiletí.

Princip metody spočívá ve sledování milisekundových pulsarů, tedy neutronových hvězd, které rotují extrémně pravidelně a vysílají rádiové impulzy s téměř dokonalou periodicitou. Pokud gravitační vlna prochází prostorem mezi Zemí a těmito pulsary, nepatrně mění vzdálenosti, které musí rádiové signály urazit, a tím způsobuje drobné odchylky v načasování jejich příchodu. Sledováním desítek pulsarů současně a analýzou korelací mezi jejich odchylkami dokážou vědci odlišit skutečný gravitační signál od šumu a dalších rušivých vlivů.

Nově detekované vlny nesou informace o událostech starých více než 13 miliard let, tedy z období, kdy byl vesmír ještě v raných fázích svého vývoje. Jedná se tak o jeden z nejstarších gravitačních signálů, jaký se kdy podařilo zachytit, a otevírá pohled do epochy, která byla dosud pro přímé pozorování prakticky nedostupná.

Podle vědců tento signál souvisí s formací některých z prvních supermasivních černých děr ve vesmíru. Tyto objekty, jejichž hmotnost dosahuje milionů až miliard hmotností Slunce, se podle současných teorií formovaly a slévaly už v raných fázích kosmické historie. Extrémně nízkofrekvenční gravitační vlny vznikají právě při dlouhotrvajících procesech splývání dvojic obřích černých děr, k nimž dochází, když se srážejí galaxie a jejich centrální černé díry se postupně přibližují k sobě.

Detekce tohoto typu signálu představuje důležitý krok k pochopení toho, jak vypadal vesmír krátce po svém vzniku a jak se v něm formovaly první masivní struktury. Zatímco optická a rádiová pozorování dokážou zachytit světlo ze vzdálených galaxií a kvasarů, gravitační vlny nesou informace přímo o dynamice hmoty a nejsou ovlivněny prachem, plynem ani jinými překážkami, které běžné elektromagnetické záření mohou zeslabovat nebo zkreslovat.

Vědecké týmy pracující s pulsarovými sítěmi shromažďují data po řadu let, protože gravitační vlny s tak dlouhou periodou vyžadují dlouhodobé a přesné sledování. Analýza takového množství dat je komplexní úkol, který zahrnuje statistické modelování, eliminaci systematických chyb a porovnávání výsledků mezi nezávislými observatořemi po celém světě. Právě shoda mezi různými nezávislými měřeními zvyšuje důvěryhodnost nově oznámeného objevu.

Objev potvrzuje, že gravitační vlny mohou sloužit jako nástroj pro zkoumání i těch nejvzdálenějších a nejstarších období vesmírné historie, kam klasická astronomie dosud nedosáhla s dostatečnou přesností. Vzhledem k tomu, že první supermasivní černé díry vznikaly v době, kdy byl vesmír jen zlomkem svého současného stáří, mohou tato pozorování pomoci vysvětlit, jak se tyto obří objekty dokázaly vytvořit tak rychle po velkém třesku, což zůstává jednou z otevřených otázek moderní kosmologie.

Vědci předpokládají, že s dalším rozšiřováním sítí pulsarů a prodlužováním časové řady pozorování bude možné signál zpřesnit a případně identifikovat konkrétní zdroje či oblasti oblohy, odkud gravitační vlny pocházejí. To by mohlo v budoucnu umožnit propojení těchto pozorování s klasickými astronomickými daty a vytvořit tak komplexnější obraz o vzniku a vývoji nejstarších galaxií a jejich centrálních černých děr.