Pozorování vesmíru skrze vlny v prostoru

Na začátku září 2015 se Salvatore Vitale, tehdy výzkumný pracovník MIT, zastavil na krátké návštěvě u svých rodičů v Itálii po zasedání v Budapešti. Zasedání se zaměřilo na dlouho očekávané zprovoznění Advanced LIGO – systému, u něhož vědci doufali, že konečně detekuje procházející vlnu v časoprostoru, známou jako gravitační vlna.

Albert Einstein předpověděl existenci těchto kosmických vln téměř před 100 lety a myslel si, že je nemožné je změřit. Ale vědci včetně Vitalea věřili, že by s novým detektorem vln mohli mít šanci. Jeho spuštění bylo naplánováno na několik následujících dnů.

Na zasedání v Budapešti byli členové týmu nadšení, byť opatrní, a připouštěli, že to mohou být měsíce nebo roky, než přístroje zachytí nějaké slibné signály.

Nicméně, den poté, co Vitale dorazil na dlouho očekávanou návštěvu k rodině, ho čekalo obrovské překvapení.

„Následující den jsme detekovali první gravitační vlnu vůbec,“ vzpomíná. „A samozřejmě jsem se musel zavřít do místnosti a začít na tom pracovat.“

Vitale a jeho kolegové museli pracovat v tajnosti, aby zabránili úniku informací, než by vědecky potvrdili signál a charakterizovali jeho zdroj. To znamenalo, že nikdo – ani jeho rodiče – nemohl vědět, na čem pracuje. Vitale odjel zpět na MIT a slíbil, že se na Vánoce vrátí.

„A skutečně, 25. prosince jsem letěl domů a 26. jsme detekovali druhou gravitační vlnu! V tu chvíli jsem je musel zasvětit do tajemství a říct jim, co se stalo, nebo by moje jméno vyškrtli z rodinného seznamu,“ říká s poloviční nadsázkou.

S obnoveným rodinným mírem se Vitale mohl soustředit na cestu vpřed, která se najednou zdála jasná gravitačními objevy. On a jeho kolegové, jako součást LIGO Scientific Collaboration, oznámili detekci první gravitační vlny v únoru 2016, čímž potvrdili Einsteinův předpoklad. Pro Vitalea tento okamžik také upevnil jeho profesní směřování.

„Kdyby LIGO v té době gravitační vlny nedetekoval, nebyl bych tam, kde jsem dnes,“ říká Vitale. „Určitě jsem měl velké štěstí, že jsem to dělal ve správný čas, pro sebe, pro přístroj a pro vědu.“

O několik měsíců později se Vitale připojil k fakultě MIT jako asistent profesor fyziky. Dnes, jako nedávno jmenovaný docent, pracuje se svými studenty na analýze bohatství gravitačních signálů z Advanced LIGO, stejně jako z Virgo (podobného detektoru v Itálii) a KAGRA v Japonsku. Kombinovaná síla těchto observatoří umožňuje vědcům detekovat alespoň jednu gravitační vlnu týdně, což odhalilo řadu extrémních zdrojů, od slučování černých děr po srážky neutronových hvězd.

„Gravitační vlny nám dávají jiný pohled na stejný vesmír, který by nás mohl naučit o věcech, které jsou velmi těžké vidět jen s fotony,“ říká Vitale.

Náhodný pohyb

Vitale pochází z Reggio di Calabria, malého pobřežního města na jihu Itálie, „na špičce boty“, jak říká. Jeho rodina vlastnila a provozovala místní obchod s potravinami, kde trávil v dětství tolik času, že dokázal vyjmenovat téměř všechna vína v obchodě.

Když mu bylo 9 let, vzpomíná, jak se zastavil v místním stánku s novinami, který také prodával použité knihy. Shromáždil všechny peníze, které měl, aby si koupil dvě knihy, obě od Alberta Einsteina. První byla sbírka dopisů fyzika jeho přátelům a rodině. Druhá byla jeho teorie relativity.

„Přečetl jsem si dopisy a pak prošel druhou knihou a pamatuji si, že jsem viděl ty zvláštní symboly, které pro mě nic neznamenaly,“ vzpomíná Vitale.

Přesto byl chlapec zaujatý a pokračoval ve čtení o fyzice a později kvantové mechanice. Ke konci střední školy nebylo jasné, zda se Vitale dostane na vysokou školu. Velké řetězce obchodů vyřadily obchod jeho rodičů z provozu a rodina přišla o domov a bojovala s vyrovnáním ztrát. Ale s podporou svých rodičů se Vitale přihlásil a byl přijat na Boloňskou univerzitu, kde získal bakalářský a magisterský titul v teoretické fyzice se specializací na obecnou relativitu a přibližné způsoby řešení Einsteinových rovnic. Potom pokračoval v doktorátu z teoretické fyziky na Univerzitě Pierra a Marie Curie v Paříži.

„Pak se věci změnily velmi, velmi náhodným způsobem,“ říká.

Doktorandský školitel Vitalea hostil konferenci a Vitale se přihlásil k rozdávání značek a letáků a k pomoci hostům s orientací. První den ho zaujal jeden host.

„Viděl jsem tohohle chlapa, jak sedí na podlaze a mlátí hlavou do počítače, protože se nemohl připojit ke svému počítači s Ubuntou k Wi-Fi, což bylo tehdy velmi běžné,“ říká Vitale. „Tak jsem se ho pokusil pomoci a strašlivě jsem selhal, ale začali jsme si povídat.“

Hostem byl profesor z Arizony, který se specializoval na analýzu signálů gravitačních vln. Během konference se oba poznali a profesor pozval Vitalea do Arizony, aby pracoval s jeho výzkumnou skupinou. Neočekávaná příležitost otevřela dveře k fyzice gravitačních vln, o které by Vitale jinak mohl prošvihnout.

„Když mluvím s vysokoškoláky a jak si mohou plánovat kariéru, říkám, že to nevím,“ říká Vitale. „Nejlepší, na co můžete doufat, je náhodný pohyb, který celkově jde správným směrem.“

Vysoké riziko, vysoká odměna

Vitale strávil dva měsíce na Embry-Riddle Aeronautical University v Prescott v Arizoně, kde analyzoval simulovaná data gravitačních vln. V té době, kolem roku 2009, nikdo nedetekoval skutečné signály gravitačních vln. První iterace detektorů LIGO začala s pozorováními v roce 2002, ale do té doby nic nenašla.

„Většinu prvních několika let jsem pracoval výhradně se simulovanými daty, protože žádná skutečná data nebyla. To vedlo mnoho lidí k opuštění oboru, protože to nebyla zřejmá cesta,“ říká Vitale.

Nicméně práce, kterou dělal v Arizoně, ho jen zaujala a Vitale se rozhodl specializovat se na fyziku gravitačních vln, vrátil se do Paříže, aby dokončil doktorát, a poté nastoupil na postdoktorandskou pozici v NIKHEF, nizozemském národním institutu pro subatomovou fyziku na Univerzitě v Amsterdamu. Tam se připojil jako člen spolupráce Virgo a navázal další kontakty ve společenství gravitačních vln.

V roce 2012 se přestěhoval do Cambridge v Massachusetts, kde začal pracovat jako postdoktorand v laboratoři LIGO na MIT. V té době se vědci tam soustředili na doladění detektorů Advanced LIGO a simulovali typy signálů, které by mohli zachytit. Vitale pomohl vyvinout algoritmus pro vyhledávání signálů, které by mohly být gravitační vlny.

Těsně předtím, než se detektory zapnuly pro první pozorovací běh, byl Vitale povýšen na výzkumného pracovníka. A jak už to bývá, pracoval se studenty a kolegy z MIT na jednom ze dvou algoritmů, které zachytily to, co bylo později potvrzeno jako první gravitační vlna vůbec.

„Bylo to vzrušující,“ vzpomíná Vitale. „Trvalo nám také několik týdnů, než jsme se přesvědčili, že je to skutečné.“

V návalu, který následoval po oficiálním oznámení, se Vitale stal asistentem profesora na fyzikálním oddělení MIT. V roce 2017, na uznání objevu, byla Nobelova cena za fyziku udělena třem klíčovým členům týmu LIGO, včetně Rainera Weisse z MIT. Vitale a další členové kolaborace LIGO-Virgo se později zúčastnili slavnostního ceremoniálu v Stockholmu ve Švédsku – okamžik, který byl zachycen na fotografii hrdě vystavené v Vitalově kanceláři.

Vitale byl v roce 2022 povýšen na docenta a v roce 2024 získal jmenování. Bohužel jeho otec zemřel krátce před oznámením jmenování. „Byl by na mě velmi hrdý,“ uvažuje Vitale.

Nyní, kromě analýzy signálů gravitačních vln z LIGO, Virgo a KAGRA, Vitale tlačí vpřed plány na ještě větší a lepší nástupce LIGO. Je součástí projektu Cosmic Explorer, jehož cílem je vybudovat detektor gravitačních vln, který bude podobný LIGO, ale 10krát větší. Vědci věří, že takový přístroj by mohl v tomto měřítku zachytit signály ze zdrojů, které jsou mnohem dále ve vesmíru a čase, dokonce i blízko začátku vesmíru.

Pak by vědci mohli hledat dosud nedetekované zdroje, jako jsou vůbec první černé díry vytvořené ve vesmíru. Mohli by také hledat v okolí LIGO a Virgo, ale s vyšší přesností. Pak by mohli vidět gravitační signály, které Einstein nepředpověděl.

„Einstein vyvinul teorii relativity, aby vysvětlil vše od pohybu Merkuru, který obíhá Slunce každých 88 dní, po objekty, jako jsou černé díry, které jsou 30krát hmotnější než Slunce a pohybují se poloviční rychlostí světla,“ říká Vitale. „Neexistuje žádný důvod, proč by stejná teorie měla fungovat v obou případech, ale zatím se zdá, že ano, a nenašli jsme žádné odchylky od relativity. Ale nikdy nevíte, a musíte se dívat dál. Je to vysoké riziko za vysokou odměnu.“