Gravitačné vlny sú vlny, aké sme tu doteraz „nemali“. Vlny pritom vo všeobecnosti znamenajú prenos vzruchov, a teda energie a hybnosti, bez prenosu hmoty. To spĺňajú aj tie gravitačné.

Vlna, akú sme zatiaľ nepoznali

Doteraz sme poznali vlny v hmotnom prostredí, ako napríklad zvuk vo vzduchu, čo odborne nazývame akustické vlny. Alebo seizmické vlny šíriace vzruchy od zemetrasenia zemskou horninou, či vlny na vode.

Ďalej nám boli dôverne známe elektromagnetické vlny, ktoré k svojmu šíreniu nepotrebujú hmotné prostredie. Pri šírení takejto vlny sa totiž prenášajú kmity elektrického a magnetického poľa. Tie pritom vzájomne podporujú svoj vznik v smere šírenia, a preto sa ponechané samy na seba vo vákuu šíria na veľké vzdialenosti.

Príkladom takejto elektromagnetickej vlny je napríklad aj svetlo. Žiarenie hviezd totiž skutočne pozorujeme, a to na veľké, galaktické vzdialenosti.

Dôležité je pritom uvedomiť si, že zemská atmosféra nie je vákuum a rôznym spôsobom pohlcuje elektromagnetické vlny rôznych vlnových dĺžok. Pri svetle máme to šťastie, že viditeľné elektromagnetické vlny s touto vlnovou dĺžkou nie sú atmosférou pohlcované.

V kontexte evolúcie tiež môžeme povedať, že sa nám zrak vyvinul ako citlivý práve na tie elektromagnetické vlny, ktoré bez zmeny prenikajú atmosférou.

Vlniaci sa priestor

Gravitačné vlny, podobne ako svetlo, nepotrebujú hmotné prostredie. Vzruch sa však nešíri kmitaním elektrického a magnetického poľa, ale kmitaním priestoru. To, čo kmitá, je prázdny priestor. Z toho sa nám môže zatočiť hlava.

V princípe by sa o tom dalo presvedčiť tak, že by sme medzi dvomi bodmi, ktoré sú voči sebe v pokoji, napli šnúru a tá by sa kmitmi priestoru roztrhla.

Jej napätie by v súlade s pôvodným vzruchom poľavovalo alebo vzrastalo. Prakticky je ale jav tak slabý, že je týmto spôsobom nepozorovateľný.
Intuitívne sme všetci zvyknutí na Newtonovskú predstavu absolútneho statického priestoru, ktorý je iba pasívnym a nemým svedkom udalostí.

Zmyslami vnímame, že priestor je stále rovnaký, nech sa v ňom deje čokoľvek.

Všeobecná teória relativity ale hovorí, že s priestorom aj časom je to ináč. Veľmi hmotné objekty menia vlastnosti priestoru a času, pričom takýto efekt sme prístrojmi schopní zachytiť v blízkosti Slnka.

Napríklad svetelné lúče hviezd za Slnkom sa v blízkosti Slnka ohýbajú a teda nejdú po priamke. Preto počas úplného zatmenia pozorujeme v tesnom susedstve zakrytého Slnka aj také hviezdy, ktoré sú ním v skutočnosti zakryté.

Podľa všeobecnej teórie relativity jav interpretujeme ako zakrivenie priestoru v blízkosti Slnka. Ak veľmi hmotné objekty podliehajú prudkým zmenám, tak sa prudko mení aj zakrivenie priestoru v ich blízkosti. Vzniká vzruch meniaci krivosť priestoru, ktorý je potom v ďalšom čase vyžiarený a nezávisle sa šíri preč od zdroja.

To je gravitačná vlna.

Gravitačné vlny, čiže kmity priestoru boli pritom v skutočnosti objavené v experimente LIGO nie napínaním spomínanej šnúry, ale pri šírení svetelných lúčov štvorkilometrovými tunelmi a následnou interferenciou lúčov.

Rýchlosť svetla už viac nie je dobrý názov

O žiarení vzruchov vieme z Einsteinových rovníc všeobecnej teórie relativity. Keby sme tieto rovnice nemali, netušili by sme, že sa vzruchy krivosti priestoru môžu šíriť v podobe vĺn. Nie je to intuitívne samozrejmé, treba k tomu matematiku.

Ostatne, aj šíreniu elektromagnetickej vlny rozumieme až pomocou matematiky.

Z matematického opisu zároveň vychádza, že sa gravitačné vlny šíria rýchlosťou svetla, aj keď svetlom nie sú a elektrické a magnetické polia pri ich šírení nehrajú žiadnu úlohu.

Rýchlosť svetla má teda vďaka práve zverejnenému objavu zlý názov. 

Namiesto „rýchlosti svetla“ by mal byť od včera jej názov „rýchlosť elektromagnetických a gravitačných vzruchov vo vákuu“. Ide o fundamentálnu konštantu nášho sveta.

V budúcnosti môžeme nájsť aj ďalšie typy vlnení, ktoré ku klasickému šíreniu nebudú potrebovať hmotné prostredie. Zatiaľ je to len špekulácia, ale moderná časticová fyzika to pripúšťa. Aj tieto vlny by sa pritom šírili rýchlosťou, ktorú sme doteraz nazývali rýchlosťou svetla.

Nové okno do vesmíru

Vďaka objavu sme sa prvý krát presvedčili, že gravitačné vlny vo vesmíre skutočne existujú.

Zároveň sme po prvý raz pozorovali splynutie dvoch čiernych dier do jednej. Vlastnosti pozorovaného gravitačného vlnenia nám umožnili číselne určiť hmotnosť materských čiernych dier a ich ďalšie vlastnosti. Z posledných záchvevov sme odvodili, že hmotnosť výslednej čiernej diery je voči hmotnosti čiernych dier pred splynutím menšia o trojnásobok hmotnosti Slnka.

Chýbajúca hmotnosť sa premenila na energiu a bola vyžiarená ako energia gravitačných vĺn. Pozorovaný proces sa tak stal zďaleka najbúrlivejším, aký sme kedy pozorovali, vyžiarený výkon predčil najväčšie supernovy o veľa rádov. Dokonca bol údajne 50 krát väčší ako výkon svetelného žiarenia celého pozorovateľného vesmíru.

Najväčší význam objavu je ale dosiahnutie citlivosti potrebnej na meranie gravitačných vĺn, čím sa otvárajú nové obzory astrofyzike a kozmológii. Práve sa začala nová éra pozorovania vesmíru, otvorilo sa nové okno poznávania vesmíru gravitačnými vlnami, a my sme veľmi zvedaví, čo ním uvidíme.

Ako keď slepý odrazu začne vidieť, alebo hluchý počuť, odrazu sa nám otvorili netušené možnosti spoznávania sveta, v ktorom žijeme.

Tento svet má svoje veľké záhady ako pôvod zrýchleného rozpínania priestoru, identita tmavej hmoty, či otázniky časticovej fyziky a my zatiaľ nevieme, či objav gravitačných vĺn prispeje k ich pochopeniu. Možno prinesie viac nových otázok ako odpovedí.

Jedno je však isté – má obrovský potenciál posunúť nás výrazne vpred.