Gravitační vlny přinesly vědcům záhadný signál
Neobvyklý signál gravitačních vln překvapil fyziky po celém světě. Data ukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného dosud známého modelu hvězdné evoluce.
Vědci z týmu LIGO–Virgo–Kagra analyzovali záznam srážky dvou kompaktních objektů označených symbolem S251112cm. Když sečetli hmotnosti obou účastníků této kosmické kolize, ukázalo se, že jeden z nich váží méně než naše Slunce. Pro klasickou astrofyziku taková černá díra v podstatě nemůže existovat. Právě proto část badatelů dnes říká, že možná pozorujeme první historický důkaz existence tzv. primordiální černé díry, která vznikla krátce po Velkém třesku.
Kosmická hádanka ukrytá ve vlnách časoprostoru
Vše začalo zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry měří nepatrné změny vzdáleností mezi zrcadly způsobené průchodem gravitačních vln přes Zemi.
Většina takovýchto signálů pochází ze srážek černých děr o hmotnostech 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 nevyhovuje žádnému rámci známých procesů hvězdné evoluce. To je závažný signál, že máme co do činění s úplně jiným mechanismem jejího vzniku.
Badatelé ihned prověřili tradiční vysvětlení. Pokud by signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, bylo by nutné zaznamenat jej také ve světle — v gama záření, rentgenovém záření nebo alespoň v optickém pásmu. Hledání doprovodného záblesku nepřineslo žádný výsledek. Ve hře tak zůstal výrazně exotičtější scénář.
Černá díra menší než město
Objekty s hmotností srovnatelnou se Sluncem, které známe z astronomických katalogů, jsou z velké části velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy je podstatně těžší — podle současných modelů musí mít nejméně přibližně tři sluneční hmotnosti.
Pro objekt o hmotnosti přibližně 0,87 sluneční hmotnosti dávají výpočty rozměry srovnatelné s větším městem. Průměr takové časoprostorové pasti by byl přibližně 5 kilometrů. To je vzdálenost, kterou lze v klidu uběhnout za půl hodiny — a přitom mluvíme o stlačení téměř celé hmotnosti Slunce do takového měřítka.
K vytvoření něčeho tak extrémního jsou potřeba podmínky, které žádný známý hvězdný proces nezajistí. Astrofyzici zdůrazňují, že fyzika klasické hvězdné evoluce neumožňuje vznik černé díry o tak nízké hmotnosti prostým kolapsem hvězdného jádra.
Stopa prvních mikrosekund po Velkém třesku
Autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, proto obrací 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. kvarkovo-gluonové plazma a hustoty i teploty byly nepředstavitelné.
Již v 70. letech teoretičtí fyzici včetně Stephena Hawkinga předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat vlastní tíhou a vytvářet celou populaci miniaturních černých děr. Tyto objekty dostaly název primordiální černé díry.
Tým naznačuje, že zkoumaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s fyzikou kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář pravdivý, signál S251112cm by byl první hmatatelnou indicií, že takovéto útvary skutečně přežily až do dnešních dní. Znamenalo by to, že vesmír již v prvních okamžicích své existence začal produkovat černé díry v množstvích, o kterých se dosud hovořilo jen v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Skládačka se stává ještě zajímavější ve chvíli, kdy badatelé spojují tohoto kandidáta na primordiální černou díru s problémem tzv. temné hmoty. Po desetiletí je známo, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen nepatrnou část kosmické hmotnostní bilance. Přibližně 85 procent tvoří neviditelná složka, která se projevuje výhradně prostřednictvím gravitace.
Dosud mnoho skupin hledalo částice zodpovědné za tuto chybějící složku, například WIMPy zachycované v podzemních detektorech. Tato pátrání zatím nepřinesla jednoznačný úspěch, čímž se otevřela cesta alternativním myšlenkám.
Pokud primordiální černé díry existují v dostatečném počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část — nebo snad dokonce veškerou — temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře zapadá. Hmotnostní signatura odpovídá předpovědím některých modelů populací primordiálních černých děr. V takovéto vizi není temná hmota exotickými částicemi, které nedokážeme zachytit, nýbrž nesčetnými černými dírami rozsetými po celém vesmíru od nejranějších epoch.
Signál slibný, ale zatím ne rozhodující
Navzdory nadšení část badatelů tlumí emoce. Odhady říkají, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, avšak interpretace vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené se systémy více objektů v hustých hvězdných kupcích, které mohou generovat neobvyklé signály.
Proto tým zatím označuje objekt jako „kandidáta" na primordiální černou díru. Aby bylo možné přejít od návrhu k pevnému závěru, potřebují fyzici více podobných událostí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK má v tomto ohledu klíčový význam: detektory dosahují stále vyšší citlivosti, takže šance na další záznamy s každým rokem roste.
Druhý, třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit fascinující hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy sub-slunečních černých děr, budou muset fyzici přepracovat kapitoly učebnic týkající se Velkého třesku, rané kosmologie a podstaty temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby bylo možné pochopit váhu současného signálu, je užitečné vědět, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jsou to zařízení, ve kterých laserový paprsek prochází dvěma kolmými rameny a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když gravitační vlna projde detektorem, nepatrně stlačí jednu osu a druhou prodlouží.
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.
- Doba trvání signálu informuje o hmotnostech složek páru.
- Amplituda se promítá do vzdálenosti zdroje.
- Koncová frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu.
- Absence světelného signálu usnadňuje vyloučení neutronových hvězd.
V případě S251112cm se všechny tyto prvky složily do obrazu soustavy, v níž má jeden z účastníků neobvykle nízkou hmotnost. Právě tento detail vyvolal tak velký zájem vědecké komunity.
Co by potvrzení primordiálních černých děr změnilo?
Pokud budoucí pozorování podpoří interpretaci Cappelluttiho a Magaraggii, čeká nás řada zásadních důsledků. Kosmologie získá nástroj ke zkoumání nejranějších epoch — podstatně dřívějších, než ze které pochází kosmické mikrovlnné záření pozadí. Primordiální černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť podmínek panujících v prvních mikrosekundách existence vesmíru.
Také teorie formování galaxií by vyžadovala korekce. Dodatečná populace hustých, kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak narůstají haló temné hmoty a jak se formují první hvězdy. Pro fyziky částic je to rovněž důležitý signál, že hledání exotických částic může mít menší pole působnosti, pokud lví podíl sehrávají právě černé díry.
Jak si to může představit laik?
Pro lidi mimo vědecké prostředí znějí pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čirá abstrakce. Pomůže jednoduchý obrázek: představte si hrnec s vařící polévkou, ve které se neustále zvedají a klesají bublinky. V nejranějším vesmíru takovými „bublinami" byla zhušťování hmoty.
Většina z nich se rozptýlila s rozšiřováním vesmíru, ale některá mohla být natolik hustá, že se sama pod sebou zhroutila a vytvořila černé díry. Po následující miliardy let by tyto objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich a příležitostně se srážely. Právě při takových vzácných srážkách vytvářejí gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takovýto signál tak funguje jako pohlednice odeslaná z prvních okamžiků existence vesmíru.
