Gravitační vlny přinesly záhadný signál
Neobvyklý záznam gravitačních vln postavil vědce před nečekanou hádanku. Naměřená data ukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného známého modelu hvězdného vývoje. Tým výzkumníků LIGO–Virgo–Kagra prozkoumal srážku dvou kompaktních objektů označenou jako S251112cm.
Když spočítali hmotnosti účastníků této kosmické kolize, vyšlo najevo něco překvapivého. Jeden z objektů váží méně než naše Slunce. Z pohledu klasické astrofyziky by taková černá díra prakticky neměla existovat. Právě proto někteří badatelé nyní spekulují, že bychom mohli pozorovat první historický důkaz takzvané primordiální černé díry, vzniklé krátce po Velkém třesku.
Jak funguje detekce gravitačních vln
Celý příběh začíná zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obrovské interferometry měří nepatrné změny vzdáleností mezi zrcadly, způsobené průchodem gravitačních vln Zemí.
Většina podobných signálů pochází ze srážek černých děr o hmotnosti desítek Sluncí. Tentokrát však analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného. Jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost v rozmezí od přibližně jedné desetiny až po necelou jednu sluneční hmotnost.
Takto lehká černá díra se nevejde do rámce známých procesů hvězdné evoluce. Jde o závažný signál, že máme co do činění s jiným mechanismem jejího vzniku.
Vědci okamžitě prověřili běžnější vysvětlení. Pokud by signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, musel by být zaznamenán také ve světle – v gama záření, rentgenovém spektru nebo alespoň v optickém pásmu. Hledání doprovodného záblesku však nepřineslo žádný výsledek. Ve hře tak zůstal mnohem exotičtější scénář.
Černá díra menší než velké město
Objekty o hmotnosti blízké Slunci, které známe z astronomických katalogů, jsou většinou velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy bývá výrazně těžší – podle současných modelů musí mít alespoň zhruba tři sluneční hmotnosti.
Pro objekt o hmotnosti kolem 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí rozměry srovnatelné s větším městem. Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně 5 kilometrů. Je to vzdálenost, kterou člověk v klidu uběhne za půl hodiny – a přitom mluvíme o stlačení téměř celé hmotnosti Slunce do takového prostoru.
K vytvoření něčeho tak extrémního jsou zapotřebí podmínky, které žádný známý hvězdný proces nezajistí. Astrofyzici zdůrazňují, že fyzika klasické hvězdné evoluce neumožňuje vznik černé díry s tak nízkou hmotností prostým zhroucením hvězdného jádra.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Právě proto autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, obracejí pozornost mnohem hlouběji do minulosti. Zajímá je doba, kdy byl vesmír mladší než miliontina sekundy. V tomto období se hmota chovala zcela jinak než dnes – dominovala takzvaná kvark-gluonová plazma a hustoty i teploty dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Již v sedmdesátých letech teoretičtí fyzici včetně Stephena Hawkinga předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní gravitací. Vznikla by tak celá populace miniaturních černých děr, které dostaly označení primordiální černé díry.
Výzkumný tým naznačuje, že analyzovaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s fyzikou kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář správný, signál S251112cm by představoval první hmatatelný důkaz, že takové útvary skutečně přežily až do současnosti. Znamenalo by to, že vesmír už ve svých prvních okamžicích začal produkovat černé díry v množstvích, o kterých se dosud hovořilo pouze v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Celá skládanka získává na zajímavosti, když badatelé propojují tohoto kandidáta na primordiální černou díru s problémem takzvané temné hmoty. Už desetiletí víme, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří jen malý zlomek kosmické bilance hmoty. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje pouze gravitačně.
Dosud řada výzkumných skupin pátrala po částicích zodpovědných za tuto chybějící složku, jako jsou WIMPy detekované v podzemních laboratořích. Pátrání zatím nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo cestu alternativním nápadům.
Pokud primordiální černé díry existují v odpovídajícím počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část, možná dokonce veškerou temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře zapadá. Hmotnostní charakteristika odpovídá předpovědím některých modelů populace primordiálních černých děr. V takové vizi není temná hmota exotickými částicemi, které neumíme zachytit, nýbrž nesčetnými černými dírami rozptýlenými po celém kosmu od nejranějších epoch.
Slibný signál, ale zatím ne rozhodující
Navzdory nadšení část vědců krotí emoce. Odhady uvádějí, že pravděpodobnost hmotnosti menší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, interpretace však vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře související s vícenásobnými soustavami objektů v hustých hvězdokupách, které mohou generovat neobvyklé signály.
Proto tým označuje objekt za „kandidáta" na primordiální černou díru. Aby se od náznaku přešlo k pevnému závěru, potřebují fyzici více podobných událostí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK má klíčový význam – detektory dosahují stále vyšší citlivosti a šance na další záznamy roste každým rokem.
Druhý či třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit zajímavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy pod-slunečních černých děr, budou muset fyzici přepsat kapitoly v učebnicích věnované Velkému třesku, rané kosmologii a podstatě temné hmoty.
Jak pracuje detektor gravitačních vln
Pro lepší pochopení významu současného signálu stojí za to vědět, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jde o zařízení, v nichž laserový paprsek probíhá dvěma kolmými rameny a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když gravitační vlna prochází detektorem, nepatrně stlačuje jednu osu a druhou prodlužuje.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, ale pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „cvrlikání" gravitačních vln badatelé odečítají hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů.
- Délka trvání signálu prozrazuje hmotnosti složek páru
- Amplituda se převádí na vzdálenost zdroje
- Konečná frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu
- Absence světelného signálu usnadňuje vyloučení neutronových hvězd
V případě S251112cm se všechny tyto prvky složily do obrazu soustavy, kde jeden z účastníků má netypicky nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil tak velký zájem.
Co by změnilo potvrzení primordiálních černých děr
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappellutiho a Magaraggii, čeká nás řada důsledků. Kosmologie získá nástroj pro zkoumání ultračasných epoch, mnohem starších než období, z něhož pochází reliktní záření. Primordiální černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť podmínek panujících v prvních mikrosekundách existence kosmu.
Teorie formování galaxií by rovněž vyžadovala úpravu. Dodatečná populace hustých, kompaktních objektů mění způsob, jakým se shromažďuje hmota, jak narůstají hala temné hmoty a jak se formují první hvězdy. Pro fyziky částic jde také o důležitý signál, že pátrání po exotických částicích může mít menší prostor, pokud hlavní roli hrají černé díry.
Jak si to může představit běžný člověk
Pro lidi mimo vědecké prostředí znějí pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čirá abstrakce. Pomáhá jednoduchý obraz: představte si hrnec s vařící polévkou, ve které se neustále zvedají a klesají bubliny. Ve velmi raném vesmíru byly takovými „bublinami" zhuštěniny hmoty.
Většina z nich se rozptýlila, jak se vesmír rozpínal, ale některé mohly být tak husté, že samy do sebe zkolabovaly a vytvořily černé díry. Po další miliardy let by takové objekty kroužily téměř neviditelné mezi galaxiemi i uvnitř nich, občas se navzájem srážely. Právě při těchto vzácných kolizích vytvářejí gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory.
Každý takový signál tedy funguje jako pohlednice odeslaná z prvních okamžiků existence kosmu.
