Záhadný signál gravitačních vln překvapil vědecký svět
Neobvyklý signál gravitačních vln přivedl fyziky do rozpakov. Naměřená data ukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného dosud známého astrofyzikálního modelu.
Vědci z kolaborace LIGO–Virgo–Kagra podrobně analyzovali záznam srážky dvou kompaktních těles, označené kódem S251112cm. Když sečetli hmotnosti obou účastníků tohoto kosmického střetu, vyšlo najevo, že jedno z nich váží méně než naše Slunce. Z pohledu klasické astrofyziky taková černá díra vlastně nemůže existovat. Právě proto část vědců dnes otevřeně spekuluje, zda se nedívají na historicky první stopu tzv. primordiální černé díry — objektu zrozeného krátce po Velkém třesku.
Gravitační vlny přinášejí kosmickou hádanku
Vše začalo zdánlivě rutinní detekcí gravitačních vln sítí interferometrů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří přístroje měří neuvěřitelně malé změny vzdálenosti mezi zrcadly, které způsobují gravitační vlny procházející skrze Zemi.
Většina dosud zaznamenaných signálů pochází ze srážek černých děr s hmotností desítek slunečních hmotností. Tentokrát analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného: jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost v rozmezí přibližně jedné desetiny až těsně pod jednu sluneční hmotnost.
Tak lehká černá díra se nevejde do rámce žádného známého procesu hvězdné evoluce. Jde o závažný náznak, že stojíme před zcela odlišným mechanismem vzniku takového objektu.
Badatelé okamžitě prověřili konvenční vysvětlení. Kdyby signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, mělo by dojít také k záblesku záření — gama, rentgenového nebo alespoň optického. Žádný takový doprovodný záblesk se nepodařilo zachytit. Na stole tak zůstal výrazně exotičtější scénář.
Černá díra menší než město
Objekty s hmotností blízkou sluneční, které známe z astronomických katalogů, jsou z velké části velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy je mnohem těžší — podle současných modelů musí mít nejméně přibližně trojnásobek sluneční hmotnosti.
Pro objekt s hmotností kolem 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí výpočty na rozměry srovnatelné se středně velkým českým městem. Průměr takové časoprostorové pasti by byl přibližně 5 kilometrů — vzdálenost, kterou pohodlně uběhnete za půl hodiny. A přitom hovoříme o nakupení téměř celé sluneční hmotnosti v takovém měřítku.
Aby mohl vzniknout tak extrémní objekt, jsou zapotřebí podmínky, které žádný známý hvězdný proces nedokáže zajistit. Astrofyzici zdůrazňují, že klasická hvězdná evoluce prostě neumožňuje vytvoření černé díry s tak nízkou hmotností pouhým kolapsem hvězdného jádra.
Stopa prvních mikrosekund po Velkém třesku
Právě proto autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, obrací pohled hluboko do minulosti — do doby, kdy byl vesmír starý méně než miliontinu sekundy. V té epoše se hmota chovala zcela jinak než dnes: dominovalo tzv. kvark-gluonové plazma a hustoty spolu s teplotami dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Již v 70. letech teoretičtí fyzici, včetně Stephena Hawkinga, předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a vytvářet celou populaci miniaturních černých děr. Ty dostaly název primordiální černé díry.
Tým naznačuje, že zkoumaný objekt mohl vzniknout právě v éře kvantové chromodynamiky, pouhých několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář pravdivý, byl by signál S251112cm první hmatatelnou nápovědí, že taková tělesa skutečně přežila až do dnešních dnů. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry již v prvních okamžicích svého bytí — a to v množství, o němž se dosud hovořilo jen v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Celá skládanka se stává ještě fascinující, jakmile badatelé spojí tohoto kandidáta na primordiální černou díru s problémem temné hmoty. Po desetiletí je známo, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen nepatrnou část celkové kosmické hmoty. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje výhradně gravitací.
Mnoho vědeckých skupin dosud pátralo po částicích zodpovědných za tento chybějící podíl, například po WIMPech zachytitelných v podzemních detektorech. Hledání však nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo dveře alternativním hypotézám.
Pokud primordiální černé díry existují v dostatečném počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část — nebo dokonce veškerou — temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře přesně zapadá. Hmotnostní signatura souhlasí s předpověďmi některých modelů populace primordiálních černých děr. V takovém obrazu by temná hmota nebyla exotickými částicemi, které neumíme zachytit, nýbrž nesčetnými černými dírami rozptýlenými po celém vesmíru od jeho nejranějších epoch.
Signál je slibný, ale ještě ne průkazný
Navzdory nadšení části badatelů jiní vědci tlumí emoce. Odhady hovoří o tom, že pravděpodobnost hmotnosti menší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent — přesto interpretace vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené s vícečetnými objekty v hustých hvězdokupách, které mohou generovat nestandardní signály.
Proto tým prozatím označuje objekt jako „kandidáta" na primordiální černou díru. Aby fyzici přešli od náznaku k pevnému závěru, potřebují více podobných událostí. Probíhající observační kampaň sítě LVK má v tomto ohledu klíčový význam: detektory dosahují stále vyšší citlivosti, takže šance na další záznamy rok od roku roste.
Druhý či třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit poutavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy sub-slunečních černých děr, budou fyzici muset přepsat učebnicové kapitoly o Velkém třesku, rané kosmologii a podstatě temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby bylo možné ocenit váhu tohoto signálu, stojí za to vědět, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jsou to zařízení, v nichž laserový paprsek putuje dvěma kolmými rameny a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když detektorem prochází gravitační vlna, jedno rameno se nepatrně zkrátí a druhé prodlouží.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, avšak pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „cvrlikání" gravitačních vln vědci vyčtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů.
- Délka trvání signálu vypovídá o hmotnostech složek páru.
- Amplituda se přepočítává na vzdálenost zdroje.
- Koncová frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu.
- Absence světelného signálu pomáhá vyloučit neutronové hvězdy.
V případě S251112cm se všechny tyto prvky složily do obrazu soustavy, v níž jeden z účastníků má neobvykle nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil tak mimořádný zájem vědecké komunity.
Co by potvrzení primordiálních černých děr změnilo?
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappelluttiho a Magaraggii, čeká nás řada dalekosáhlých důsledků. Kosmologie získá nástroj ke studiu ultraraných epoch — výrazně dřívějších, než je období, z něhož pochází kosmické mikrovlnné záření pozadí. Primordiální černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť podmínek z prvních mikrosekund existence vesmíru.
Rovněž teorie formování galaxií by si vyžádala úpravy. Další populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak narůstají hala temné hmoty a jak vznikají první hvězdy. Pro fyziky částic jde také o důležitý signál: hledání exotických částic může mít menší pole působnosti, pokud lví podíl zastávají právě černé díry.
Jak si to může představit laik?
Pro lidi mimo vědecký svět zní pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čirá abstrakce. Pomůže jednoduchý obraz: představte si hrnec s vroucí polévkou, v níž se neustále zvedají a klesají bubliny. Ve velmi raném vesmíru byly takovými „bublinami" zhluky hmoty. Většina z nich se rozptýlila s rozpínajícím se vesmírem, ale některé mohly být natolik husté, že se zhroutily samy do sebe a vytvořily černé díry.
Po následující miliardy let by takové objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich, občas se srážely navzájem. Právě při těchto vzácných srážkách vznikají gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takový signál tak působí jako pohlednice odeslaná z prvních okamžiků existence vesmíru.
