Neobvyklý gravitační signál překvapil vědeckou komunitu
Záhadný signál gravitačních vln přivedl fyziky do úžasu. Naměřená data ukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného dosud známého hvězdného modelu.
Vědci z kolaborace LIGO–Virgo–Kagra podrobně analyzovali záznam srážky dvou kompaktních vesmírných těles, označené jako S251112cm. Když sečetli hmotnosti obou účastníků této kosmické kolize, ukázalo se, že jeden z nich váží méně než naše Slunce. Z pohledu klasické astrofyziky taková černá díra prakticky nemůže existovat. Právě proto část výzkumníků dnes zvažuje, že možná sledujeme vůbec první historicky doložený otisk tzv. primordiální černé díry — objektu zrozeného těsně po Velkém třesku.
Gravitační vlny přinášejí záhadu z hlubin vesmíru
Vše začalo zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry měří nepatrné změny vzdálenosti mezi zrcadly, způsobené průchodem gravitačních vln naší planetou.
Většina podobných signálů pochází ze srážek černých děr s hmotností desítek slunečních hmot. Tentokrát analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného: jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost v rozmezí zhruba jedné desetiny až těsně pod jednu sluneční hmotnost.
Tak lehká černá díra se nevejde do rámce žádných známých procesů hvězdné evoluce. Jde o závažný signál, že stojíme před úplně jiným mechanismem vzniku.
Badatelé okamžitě prověřili i tradiční vysvětlení. Pokud by signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, muselo by se to projevit také ve světle — v podobě záblesku gama záření, rentgenového záření nebo alespoň v optickém pásmu. Žádný doprovodný záblesk však detekován nebyl. Na stole tak zůstal mnohem exotičtější scénář.
Černá díra menší než město
Objekty o hmotnosti srovnatelné se Sluncem, které známe z astronomických katalogů, jsou z velké části velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající gravitačním kolapsem masivní hvězdy je podstatně těžší — podle stávajících modelů musí mít minimálně přibližně trojnásobek sluneční hmotnosti.
Pro objekt s hmotností kolem 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí výpočty na rozměry srovnatelné s větším českým krajským městem. Průměr takové časoprostorové pasti by byl přibližně 5 kilometrů — vzdálenost, kterou v klidu uběhnete za půl hodiny. A přitom mluvíme o stlačení téměř celé hmotnosti Slunce do takového objemu.
Aby vzniklo něco tak extrémního, jsou zapotřebí podmínky, které žádný známý hvězdný proces neposkytuje. Astrofyzici zdůrazňují, že klasická fyzika hvězdné evoluce vznik černé díry o tak nízké hmotnosti prostřednictvím běžného kolapsu hvězdného jádra jednoduše neumožňuje.
Otisk prvních mikrosekund po Velkém třesku
Proto autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, obracejí pohled daleko do minulosti — do doby, kdy byl vesmír starý méně než miliontinu sekundy. V tomto období se hmota chovala zcela jinak než dnes: dominovalo tzv. kvark-gluonové plazma a hustoty i teploty dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Již v 70. letech teoretičtí fyzici, včetně Stephena Hawkinga, předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální výkyvy hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a vytvářet celé populace miniaturních černých děr. Ty získaly název primordiální černé díry.
Tým naznačuje, že zkoumaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s fyzikou kvantové chromodynamiky, pouhé mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář správný, byl by signál S251112cm prvním hmatatelným důkazem, že takové objekty skutečně přežily až do dnešních časů. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry hned v prvních okamžicích své existence — v množstvích, o nichž se dosud hovořilo pouze v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Celá skládačka se stává ještě zajímavější, když badatelé spojí tohoto kandidáta na primordiální černou díru s problémem tzv. temné hmoty. Již po desetiletí víme, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen zlomek kosmické hmotnostní bilance. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje výhradně prostřednictvím gravitace.
Mnoho skupin dosud hledalo částice odpovědné za tento chybějící díl, například WIMPy zachytávané v podzemních detektorech. Pátrání dosud nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo prostor alternativním myšlenkám.
Pokud primordiální černé díry existují v dostatečném počtu a správném rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část — nebo dokonce veškerou — temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře přesně zapadá. Hmotnostní charakteristika odpovídá předpovědím některých modelů populace primordiálních černých děr. V takovém obraze by temná hmota nebyla exotickými nepostižitelnými částicemi, nýbrž nesčetnými černými dírami rozptýlenými po celém kosmu od jeho nejranějších epoch.
Signál slibný, avšak zatím nerozhodující
Navzdory nadšení část badatelů tlumí emoce. Odhady říkají, že pravděpodobnost, že hmotnost objektu je nižší než jedna sluneční hmotnost, přesahuje 99 procent, ale interpretace přesto vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené se systémy více objektů v hustých hvězdných kupách, které mohou generovat nestandardní signály.
Proto tým objekt prozatím označuje pouze jako „kandidáta" na primordiální černou díru. Aby bylo možné přejít od náznaku k pevnému závěru, potřebují fyzici více podobných událostí. Probíhající observační kampaň sítě LVK má v tomto ohledu klíčový význam: detektory dosahují stále vyšší citlivosti, a šance na další záznamy tedy každým rokem roste.
Druhý nebo třetí signál s podobnými parametry by mohl proměnit intrigující hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy sub-slunečních černých děr, budou fyzici muset přepsat kapitoly učebnic věnované Velkému třesku, rané kosmologii a povaze temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Pro lepší pochopení váhy současného signálu stojí za to vědět, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jde o zařízení, v nichž laserový paprsek prochází dvěma kolmými rameny a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když detektorem prochází gravitační vlna, jednu osu mírně stlačí a druhou prodlouží.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, avšak pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „cvrlikání" gravitačních vln pak vědci vyčtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se těles.
- Doba trvání signálu vypovídá o hmotnostech složek páru.
- Amplituda se přenáší do vzdálenosti zdroje.
- Závěrečná 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 má jeden z účastníků neobvykle nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil tak mimořádný zájem.
Co by potvrzení primordiálních černých děr změnilo?
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappelluttiho a Magaraggii, čeká nás celá řada důsledků. Kosmologie získá nástroj ke zkoumání nejranějších epoch — výrazně starších, než je období, z nějž pochází reliktní záření. Primordiální černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť podmínek panujících v prvních mikrosekundách existence kosmosu.
Také teorie vzniku galaxií by vyžadovala revizi. Další populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se shlukuje hmota, jak narůstají hala temné hmoty a jak se formují první hvězdy. Pro fyziky částic jde rovněž o důležitý signál: pokud lví podíl temné hmoty zajišťují černé díry, prostor pro hledání exotických částic se výrazně zužuje.
Jak si to může představit laik?
Pro lidi mimo vědecké prostředí znějí pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čistá abstrakce. Pomůže jednoduchý obraz: představte si hrnec s vařící polévkou, v níž každou chvíli stoupají a klesají bublinky. V raném vesmíru byly takovými „bublinkami" zhustěniny hmoty. Většina z nich se rozptýlila spolu s rozpínajícím se vesmírem, ale některé mohly být natolik husté, že se samy zhroutily a vytvořily černé díry.
Po následující miliardy let by takové objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich a občas se navzájem srážely. Právě při těchto vzácných srážkách vznikají gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takový signál je tak pohlednicí odeslanou z prvních okamžiků existence kosmosu.
