LISA: okno do raného vesmíru

Po staletí spoléhali astronomové na pozorování pouhýma očima a dalekohledy zobrazující vesmír ve viditelném světle. Takto sledovali a objevili planety, náš Měsíc i měsíce jiných planet, komety, trpasličí planety a provedli měření, která odhalila tajemství jejich pohybů. Nezůstalo však jen u toho. Objevili vzdálené hvězdy i galaxie a také řadu záhadných exotických energetických objektů. S novými otázkami však vznikala potřeba pozorovat vesmír dalšími „okny“.

Již v první polovině 19. století proběhla pozorování mimo viditelné spektrum, a to pomocí infračerveného záření, později následovaly rádiové vlny. Rentgenové záření silně absorbují nižší a hustší vrstvy zemské atmosféry, vznik rentgenové astronomie tedy nastal až s rozvojem letectví a s prvními experimenty pomocí raket, balonů a satelitů. Díky ní byly poprvé pozorovány černé díry o hmotnostech do padesátinásobku hmotnosti Slunce, které vznikají zhroucením hvězdy na konci jejího života. V rentgenovém spektru pozorujeme taktéž supermasivní černé díry, které mají miliony a více hmotností Slunce. Mechanismus jejich vzniku ovšem není plně objasněn: možným vysvětlením je série splynutí menších černých děr spolu s postupným pohlcováním plynu a prachu v okolí rostoucí černé díry, ale rovněž splynutím s černými děrami, které potenciálně vznikly již ve velmi raném vesmíru kolapsem nerovnoměrně rozložené hmoty (tzv. primordiálními černými dírami). U primordiálních černých děr nám nejsou jejich hmotnosti známy.

Vizualizace jednoho z těles mise LISA.

Kresba ESA

Infračervené a rentgenové záření je součástí elektromagnetického spektra, a jde tedy o stejný fyzikální jev při různých vlnových délkách či frekvencích. Již roku 1916 Albert Einstein objevil, že jeho rovnice gravitačního pole v rámci právě dokončené obecné teorie relativity připouští vlnění, které se šíří od hmotných těles pohybujících se se zrychlením do všech směrů, a to obdobně jako viditelné světlo nebo rentgenové záření. Tyto gravitační vlny se projevují velmi malými změnami vzdáleností mezi tělesy, které lze detekovat velice citlivými přístroji.

Stejně jako u elektromagnetického vlnění mají i gravitační vlny různé frekvence a vlnové délky – a citlivost detektorů závisí právě na této frekvenci. Současné pozemní detektory LIGO, Virgo a KAGRA jsou citlivé na signály v rozsahu 10 až 1000 Hz. Tento rozsah nám umožňuje pozorovat splynutí černých děr a neutronových hvězd nižších hmotností. Pro studium raného vesmíru a supermasivních černých děr bychom ovšem potřebovali detekovat frekvence v rozsahu od 1 mHz do 1 Hz, které jsou pro pozemní detektory nedostupné kvůli silnému seismickému šumu.