Záhadný signál gravitačních vln přivedl fyziky do úžasu
Neobvyklý signál gravitačních vln přivedl vědeckou komunitu do rozruchu. Naměřená data ukazují na objekt natolik lehký, že nezapadá do žádného dosud známého modelu hvězdného vývoje.
Vědci ze spolupráce LIGO–Virgo–Kagra podrobně analyzovali záznamy srážky dvou kompaktních objektů, označené jako S251112cm. Když spočítali hmotnosti obou účastníků této kosmické kolize, vyšlo najevo, že jeden z nich váží méně než naše Slunce. Z pohledu klasické astrofyziky taková černá díra prakticky nemůže existovat. Právě proto někteří vědci dnes připouštějí, že možná sledujeme první historicky doložená stopa tzv. primordiální černé díry, vzniklé krátce po Velkém třesku.
Gravitační vlny přinášejí kosmickou hádanku
Vše začalo zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry měří mikroskopické změny vzdálenosti mezi zrcadly, které způsobují gravitační vlny při průchodu Zemí.
Většina podobných signálů pochází ze srážek černých děr s hmotností několikanásobku Slunce. 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 nezapadá do rámce žádného známého procesu hvězdného vývoje. Jde o závažný signál, že stojíme před zcela jiným mechanismem jejího vzniku.
Vědci okamžitě prověřili tradiční vysvětlení. Pokud by signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, muselo by to být zaznamenáno i ve světelném spektru — v záření gama, rentgenovém nebo alespoň optickém pásmu. Hledání doprovodného záblesku však nepřineslo žádný výsledek. Na stole tak zůstal scénář výrazně exotičtější.
Černá díra menší než město
Objekty s hmotností blízkou Slunci, 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 alespoň přibližně tři sluneční hmotnosti.
Pro objekt o hmotnosti kolem 0,87 sluneční hmotnosti vychází výpočty na rozměry srovnatelné s větším evropským městem. Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně 5 kilometrů — vzdálenost, kterou pohodlně uběhnete za půl hodiny, a přitom by se v ní tísnila téměř veškerá hmotnost Slunce.
Aby něco tak extrémního vůbec mohlo vzniknout, jsou zapotřebí podmínky, které žádný dnes známý hvězdný proces nedokáže zajistit. Astrofyzici zdůrazňují, že klasická fyzika hvězdného vývoje neumožňuje vznik černé díry s tak nízkou hmotností prostým kolapsem hvězdného jádra.
Stopa prvních mikrosekund po Velkém třesku
Autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, proto obrátili pozornost hluboko do minulosti — do doby, kdy vesmír neměl ani milióntinu sekundy. V tomto období se hmota chovala zcela jinak než dnes: dominovalo tzv. kvark-gluonové plazma a hustoty i teploty byly zcela nepředstavitelné.
Již v 70. letech teoretičtí fyzici, včetně Stephena Hawkinga, předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a vytvořit 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 správný, byl by signál S251112cm první hmatatelnou indicií, že taková tělesa skutečně přežila až do dnešních dnů. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry již ve svých prvních okamžicích, a to v množstvích, o nichž se dosud hovořilo jen v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Celá skládačka se stává ještě zajímavější, když vědci propojí tohoto kandidáta na primordiální černou díru s problémem temné hmoty. Po celá desetiletí je známo, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen malou část kosmické bilance hmotnosti. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje výhradně prostřednictvím gravitace.
Mnoho výzkumných skupin dosud pátralo po částicích odpovědných za tuto chybějící složku, například po WIMPech zachytávaných v podzemních detektorech. Pátrání však zatím nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo cestu alternativním nápadům.
Pokud primordiální černé díry existují v dostatečném počtu a rozsahu hmotností, mohly by tvořit podstatnou část, nebo možná i 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 takovéto vizi by temná hmota nebyla exotickými neulovitelnými částicemi, nýbrž nespočetnými černými dírami rozptýlenými po celém kosmu od jeho nejranějších epoch.
Signál je slibný, ale ještě ne průkazný
Navzdory nadšení část vědců situaci uklidňuje. Odhady sice říkají, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, interpretace si však vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené se soustavami více objektů v hustých hvězdokupách, které mohou generovat neobvyklé signály.
Tým proto zatím objekt označuje jako „kandidáta" na primordiální černou díru. Aby fyzici postoupili 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, a šance na další záznamy tak s každým rokem roste.
Druhý nebo třetí signál s podobnými parametry by mohl proměnit lákavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy sub-slunečních černých děr, fyzici budou muset přepsat učebnicové kapitoly věnované Velkému třesku, ranné kosmologii a povaze temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby bylo možné plně docenit váhu tohoto signálu, je užitečné pochopit, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jde o zařízení, ve kterých laserový paprsek probíhá dvěma kolmými rameny a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když detektorem prochází gravitační vlna, mírně stlačí jednu osu 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 vědci odečtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů.
- Doba trvání signálu vypovídá o hmotnostech obou složek páru,
- amplituda se promítá do vzdálenosti zdroje,
- závěrečná frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu,
- absence světelného signálu pomáhá vyloučit přítomnost neutronových hvězd.
V případě S251112cm se všechny tyto prvky složily v obraz soustavy, jejíž jeden účastník má nápadně nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil tak velký zájem.
Co by potvrzení primordiálních černých děr změnilo?
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappelluttiho a Magaraggii, čeká nás řada zásadních důsledků. Kosmologie získá nástroj ke zkoumání ultranových epoch, sahajících výrazně dál do minulosti, než odkud pochází kosmické mikrovlnné záření pozadí. Primordiální černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť na podmínky z prvních mikrosekund existence vesmíru.
Úprav by vyžadovala i teorie vzniku galaxií. Přídatná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak narůstají hala 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 zodpovědnosti nesou černé díry.
Jak si to může představit laik?
Pro lidi mimo vědecké prostředí znějí pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čistá abstrakce. Pomáhá jednoduchý obraz: představte si hrnec s vroucí polévkou, v níž neustále stoupají a klesají bublinky. V raném vesmíru byly těmito „bublinkami" zhustky hmoty. Většina z nich se rozptýlila s rozpínáním vesmíru, ale některé mohly být natolik husté, že se zhroutily samy pod sebou 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 kolizích vznikají gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takový signál tak funguje jako pohlednice zaslaná z prvních okamžiků existence vesmíru.
