Neobvyklý signál gravitačních vln překvapil vědecký svět
Naměřená data ukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného dosud známého hvězdného modelu. Tým spolupracující sítě LIGO–Virgo–Kagra zaznamenal srážku dvou kompaktních těles označenou jako S251112cm. Když vědci spočítali hmotnosti obou účastníků této kosmické kolize, vyšlo najevo, že jeden z nich váží méně než naše Slunce.
Klasická astrofyzika existenci tak lehké černé díry v podstatě vylučuje. Právě proto část výzkumníků dnes otevřeně uvažuje o tom, zda nestojíme před prvním historicky doloženým stopami tzv. primordiální černé díry — objektu vzniklého krátce po Velkém třesku.
Gravitační vlny přinášejí záhadný kosmický vzkaz
Vše začalo zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí obřích interferometrů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tato zařízení měří nepatrné změny vzdálenosti mezi zrcadly způsobené průchodem gravitačních vln přes Zemi.
Většina dosud zaznamenaných signálů pochází ze srážek černých děr o hmotnostech odpovídajících desítkám slunečních hmotností. Tentokrát analýza události S251112cm odhalila něco zcela výjimečného: jedno ze dvou splývajících těles má hmotnost pohybující se přibližně od jedné desetiny až těsně pod jednu sluneční hmotnost.
Tak lehká černá díra nevznikla žádným ze známých procesů hvězdné evoluce. Je to závažný signál naznačující zcela jiný mechanismus jejího zrodu.
Výzkumníci okamžitě prověřili tradiční vysvětlení. Pokud by šlo o srážku neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, projevila by se také ve světle — ve formě záblesku gama záření, rentgenového záření nebo alespoň v optickém pásmu. Žádný doprovodný záblesk se však nepodařilo detekovat. Na scéně tak zůstal podstatně exotičtější scénář.
Černá díra menší než velké město
Objekty s hmotností blízkou Slunci, které astronomové evidují, jsou z velké části hustě nabité neutronové hvězdy. Běžná černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy bývá výrazně hmotnější — podle současných modelů musí mít alespoň přibližně tři sluneční hmotnosti.
Pro objekt o hmotnosti zhruba 0,87 sluneční hmotnosti vychází výpočty na rozměry srovnatelné s větším českým krajským městem. Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně 5 kilometrů — vzdálenost, kterou pohodlně zdolá běžec za půl hodiny. A přitom mluvíme o stlačení téměř veškeré hmoty Slunce do takového měřítka.
K vytvoření něčeho tak extrémního jsou zapotřebí podmínky, které žádný ze známých hvězdných procesů nedokáže zajistit. Astrofyzici zdůrazňují, že klasická fyzika hvězdné evoluce vznik černé díry o tak nízké hmotnosti prostým kolapsem hvězdného jádra prostě neumožňuje.
Otisk prvních mikrosekund po Velkém třesku
Autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, proto obracejí zrak hluboko do minulosti — do doby, kdy byl vesmír starý méně než miliontinu sekundy. V tomto období se hmota chovala zcela jinak než dnes: dominovala tzv. kvark-gluonová plazma a hustoty i teploty dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Již v 70. letech minulého století teoretičtí fyzici včetně Stephena Hawkinga předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální výkyvy hustoty kolabovat pod vlastní vahou a vytvářet celou populaci miniaturních černých děr. Tyto objekty dostaly název primordiální černé díry.
Tým navrhuje, že zkoumaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s fyzikou kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud by tento scénář odpovídal skutečnosti, byl by signál S251112cm prvním hmatatelným důkazem, že taková tělesa skutečně přežila až do dnešních dní. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry již 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 poutavější, jakmile vědci spojí tohoto kandidáta na primordiální černou díru s problémem tzv. temné hmoty. Po desetiletí je zřejmé, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen malou část kosmické hmotnostní bilance. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje výhradně gravitací.
Mnoho vědeckých týmů dosud pátralo po částicích zodpovědných za tento chybějící sestavník, například po WIMPech zachytitelných v podzemních detektorech. Výsledky zatím nepřinesly jednoznačný úspěch, čímž se otevřela cesta alternativním koncepcím.
Existují-li primordiální černé díry v dostatečném počtu a v odpovídajícím rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část — nebo dokonce veškerou — temnou hmotu vesmíru.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře přesně zapadá. Hmotnostní signatura odpovídá předpovědím některých modelů populace primordiálních černých děr. V takovém obrazu světa by temná hmota nebyla exotickými neuchopitelnými částicemi, nýbrž nesčetnými černými dírami rozsetými po celém kosmu od jeho nejranějších epoch.
Signál je slibný, ale zatím ne rozhodující
Navzdory nadšení části vědců jiní výzkumníci zachovávají chladnou hlavu. Odhady sice říkají, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, ale interpretace výsledků si stále žádá opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené s vícečlenými soustavami v hustých hvězdokupách, které mohou produkovat neobvyklé signály.
Tým proto prozatím označuje detekovaný objekt jako „kandidáta" na primordiální černou díru. Pro přechod od hypotézy k pevnému závěru potřebují fyzici více podobných událostí. Probíhající observační kampaň sítě LVK má v tomto ohledu klíčový význam: detektory neustále zvyšují svou citlivost a šance na zachycení dalších signálů rok od roku roste.
Druhý nebo třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit zajímavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy sub-slunečních černých děr, budou muset fyzici přepsat kapitoly učebnic věnované Velkému třesku, rané kosmologii i povaze temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby bylo jasné, proč je současný signál tak důležitý, stojí za to připomenout, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jde o zařízení, v nichž laserový paprsek putuje dvěma kolmými rameny a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když detektorem prochází gravitační vlna, jedno rameno nepatrně stlačí a druhé prodlouží.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, avšak pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „čirpového" signálu gravitačních vln pak vědci vyčtou hmotnosti, vzdálenost i charakter srážejících se objektů.
- Trvání signálu vypovídá o hmotnostech obou složek páru.
- Amplituda se přepočítává na vzdálenost zdroje.
- Koncová frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu.
- Absence světelného záblesku usnadňuje vyloučení neutronových hvězd.
V případě S251112cm všechny tyto složky dohromady namalovaly obraz soustavy, v níž jeden z účastníků disponuje neobvykle nízkou hmotností. Právě tento detail vzbudil tak výrazný zájem vědecké komunity.
Co by potvrzení primordiálních černých děr změnilo?
Pokud budoucí pozorování podpoří interpretaci Cappellutim a Magaraggiou, čeká nás celá řada dalekosáhlých důsledků. Kosmologie získá nástroj ke zkoumání ultračasných epoch — podstatně ranějších, než je období, z nějž pochází reliktní záření pozadí. Primordiální černé díry by fungovaly jako sondy nesoucí otisk podmínek panujících v prvních mikrosekundách existence vesmíru.
Revizi by si vyžádala i teorie vzniku galaxií. Dodatečná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak narůstají halové struktury temné hmoty a jak se rodí první hvězdy. Pro fyziky částic jde rovněž o důležitý signál — pokud klíčovou roli hrají 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 čirá abstrakce. Pomůže jednoduchý obraz: představte si hrnec s vroucí polévkou, v níž neustále stoupají a splaskávají bubliny. V raném vesmíru takovými „bublinami" byla zahušťování hmoty. Většina z nich se rozptýlila, jak se vesmír rozpínal, ale některá mohla být natolik hustá, že se zhroutila sama do sebe a vznikly z nich černé díry.
Po miliardy let by takové objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaktikami i v jejich nitru a občas by se srážely. Právě při těchto vzácných kolizích vznikají gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takový signál je vlastně pohlednicí zaslanou z prvních okamžiků existence vesmíru.
