Záhadný signál gravitačních vln přivedl fyziky do rozpakov
Neobvyklý signál gravitačních vln překvapil vědeckou komunitu. Data ukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného dosud známého modelu hvězdného vývoje.
Vědci ze spolupráce LIGO–Virgo–Kagra analyzovali záznam srážky dvou kompaktních objektů označených symbolem S251112cm. Když sečetli hmotnosti účastníků této kosmické kolize, ukázalo se, že jeden z nich váží méně než naše Slunce. Z pohledu klasické astrofyziky taková černá díra v podstatě nemůže existovat. Právě proto část výzkumníků dnes říká, že možná pozorujeme vůbec první stopu tzv. primordiální černé díry — vzniklé těsně po Velkém třesku.
Gravitační vlny přinášejí kosmickou hádanku
Všechno začalo zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry měří mikroskopické změny vzdálenosti mezi zrcadly, způsobené průchodem gravitačních vln Zemí.
Většina takových signálů pochází ze srážek černých děr s hmotnostmi desítek slunečních hmot. Tentokrát analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného: jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost v rozmezí přibližně jedné desetiny až těsně pod jednou sluneční hmotou.
Tak lehká černá díra nevznikne žádným ze známých procesů hvězdné evoluce. To je závažný signál, že máme co do činění s úplně jiným mechanismem jejího vzniku.
Badatelé okamžitě prověřili konvenčnější vysvětlení. Kdyby signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, muselo by se to projevit i v elektromagnetickém záření — v gama paprscích, rentgenovém záření nebo alespoň v optickém oboru. Žádný doprovodný záblesk se ale nepodařilo detekovat. Na scéně tak zůstal výrazně exotičtější scénář.
Černá díra menší než město
Objekty s hmotností srovnatelnou se Sluncem, které astronomové znají z katalogů, jsou z velké části hustě nabité neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy je mnohem těžší — podle současných modelů musí mít alespoň přibližně trojnásobek sluneční hmotnosti.
Pro objekt o hmotnosti zhruba 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí výpočty na rozměry srovnatelné s větším českým krajským městem. Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně 5 kilometrů — vzdálenost, kterou v pohodě uběhnete za půl hodiny. A přitom se bavíme o tom, že by v ní bylo stlačeno téměř veškeré množství hmoty Slunce.
Aby vzniklo něco tak extrémního, jsou zapotřebí podmínky, které žádný známý hvězdný proces nedokáže zajistit. Astrofyzici zdůrazňují, že klasická fyzika hvězdné evoluce vznik černé díry o tak nízké hmotnosti prostým kolapsem hvězdného jádra jednoduše neumožňuje.
Stopa prvních mikrosekund po Velkém třesku
Proto autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, upírají svůj pohled daleko do minulosti — do doby, kdy byl vesmír starý méně než miliontinu sekundy. V tom období se hmota chovala zcela jinak než dnes: dominovalo tzv. kvark-gluonové plazma a hustoty i teploty dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Teoretičtí fyzici, včetně Stephena Hawkinga, již v sedmdesátých letech předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a vytvořit celou populaci miniaturních černých děr. Ty 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, signál S251112cm by byl první hmatatelnou indicií, že takovéto objekty skutečně přežily až do současnosti. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry již v prvních okamžicích svého bytí — v množstvích, o nichž se dosud mluvilo jen v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Záhada se stává ještě zajímavější, když badatelé spojí tohoto kandidáta na primordiální černou díru s problémem tzv. temné hmoty. Po desetiletí je známo, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen malou část kosmické bilance. Přibližně 85 procent představuje neviditelná složka, která se projevuje výhradně gravitací.
Řada výzkumných skupin dosud hledala částice odpovědné za tuto chybějící složku, například WIMPy detekovatelné v podzemních zařízeních. Jednoznačný úspěch se ale nedostavil, což otevřelo dveře alternativním nápadům.
Pokud primordiální černé díry existují v dostatečném počtu a správném rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část — nebo třeba i celek — temné hmoty.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt takovému scénáři odpovídá. Hmotnostní signatura souhlasí s předpověďmi některých modelů populace primordiálních černých děr. V této vizi není temná hmota exotickými částicemi, které neumíme zachytit, ale nesčetnými černými dírami rozsetými po celém kosmu od nejranějších epoch.
Signál slibný, ale zatím ne průkazný
Přes nadšení část vědců emoce krotí. Odhady říkají, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, ale interpretace si žádá obezřetnost. Stále existují složitější scénáře spojené se soustavami více objektů v hustých hvězdokupách, které mohou produkovat netypické signály.
Proto tým prozatím označuje objekt 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 zásadní význam — detektory dosahují stále vyšší citlivosti, takže šance na další záznamy rok od roku roste.
Druhý nebo třetí signál s podobnými parametry by mohl proměnit fascinující hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy subsluneční černých děr, budou muset fyzici přepsat kapitoly učebnic věnované Velkému třesku, rané kosmologii a povaze temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby bylo možné docenit váhu současného 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 nepatrně stlačí a druhé prodlouží.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, ale pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „cvrlikání" gravitačních vln pak vědci odečtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů.
- Doba trvání signálu vypovídá o hmotnostech složek páru,
- amplituda se promítá 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 nezvykle nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil tak velký zájem.
Co by potvrzení primordiálních černých děr změnilo?
Pokud budoucí pozorování podpoří interpretaci Cappelluttiho a Magaraggii, čeká nás řada zásadních důsledků. Kosmologie získá nástroj ke studiu ultraraných epoch — výrazně dřívějších, než je období, z nějž pochází reliktní záření. Primordiální černé díry by fungovaly jako sondy nesoucí vzpomínku na podmínky panující v prvních mikrosekundách existence kosmosu.
Teorie formování galaxií by rovněž vyžadovala revizi. Dodatečná populace hustých, kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak narůstají hala temné hmoty a jak se rodí první hvězdy. Pro fyziku částic jde také o důležitý signál — hledání exotických částic by mohlo mít menší prostor k uplatnění, pokud klíčovou roli hrají právě černé díry.
Jak si to může představit člověk mimo vědu?
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 takovými „bublinkami" byla zahušťování hmoty. Většina z nich se rozptýlila s tím, jak se vesmír rozpínal, ale některá mohla být natolik hustá, že se pod vlastní tíhou zhroutila a vytvořila černou díru.
Po miliardy let by takové objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich a občas by se mezi sebou srážely. Právě při těchto vzácných kolizích vznikají gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takový signál tak funguje jako pohlednice odeslaná z prvních okamžiků existence vesmíru.
