Gravitační vlny přinesly kosmickou záhadu
Neobvyklý signál gravitačních vln překvapil fyziky po celém světě. Data ukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného ze známých modelů hvězdného vývoje.
Vědci ze spolupráce LIGO–Virgo–Kagra analyzovali záznam srážky dvou kompaktních objektů, označené symbolem S251112cm. Když sečetli hmotnosti účastníků tohoto kosmického střetu, ukázalo se, že jeden z nich váží méně než naše Slunce. Pro klasickou astrofyziku taková černá díra prakticky nemůže existovat. Právě proto část badatelů dnes říká, že možná sledujeme vůbec první historickou stopu tzv. prvotní černé díry, vzniklé těsně po Velkém třesku.
Co odhalila analýza signálu S251112cm
Vše začalo zdánlivě rutinní registrací 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 o hmotnostech desítek sluncí. Tentokrát analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného: jeden ze dvou slučujících se objektů má hmotnost v rozmezí přibližně jedné desetiny až těsně pod jednu sluneční hmotnost.
Tak lehká černá díra se nevejde do rámce žádného známého procesu hvězdné evoluce. Je to závažný signál, že stojíme před úplně jiným mechanismem jejího vzniku.
Výzkumníci okamžitě prověřili tradiční vysvětlení. Kdyby signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, muselo by to být zaznamenáno také ve světle — v gama záření, rentgenovém záření nebo alespoň v optickém oboru. Pátrání po doprovodném záblesku nepřineslo žádný výsledek. Na scéně tak zůstal podstatně 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 kolapsem masivní hvězdy je výrazně těžší — podle současných modelů musí mít alespoň přibližně trojnásobek sluneční hmotnosti.
Pro objekt o hmotnosti kolem 0,87 sluneční hmotnosti vychází výpočty na rozměry srovnatelné s větším českým městem. Průměr takové časoprostorové pasti by byl přibližně 5 kilometrů. To je vzdálenost, kterou lze pohodlně uběhnout za půl hodiny — a přitom hovoříme o stlačení téměř veškeré hmoty Slunce do takového měřítka.
Aby vzniklo něco tak extrémního, jsou zapotřebí podmínky, které žádný ze známých hvězdných procesů nedokáže zajistit. 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
Proto autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, obrací pozornost mnohem dál do minulosti — do doby, kdy byl vesmír mladší než miliontina sekundy. V tomto období se hmota chová zcela jinak než dnes: dominuje tzv. kvarkovo-gluonové plazma a hustoty i teploty jsou 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 tak celou populaci miniaturních černých děr. Ty dostaly název prvotní černé díry.
Tým naznačuje, že analyzovaný objekt mohl vzniknout právě v éře spjaté s fyzikou kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář správný, byl by signál S251112cm prvním hmatatelným důkazem, že taková tělesa skutečně přežila až do dnešních dnů. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry již v prvních okamžicích svého bytí — v množstvích, o nichž se dosud hovořilo jen v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Celá skládačka se stává ještě zajímavější, když badatelé propojí tohoto kandidáta na prvotní černou díru s problematikou tzv. temné hmoty. Po desetiletí je známo, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen malou část kosmické hmotnostní bilance. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje pouze prostřednictvím gravitace.
Mnoho skupin dosud hledalo částice odpovídající za tuto chybějící složku, například WIMPy zachytávané v podzemních detektorech. Toto pátrání zatím nepřineslo jednoznačný úspěch, čímž se otevřela cesta alternativním myšlenkám.
Pokud prvotní černé díry existují v dostatečném počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část — nebo dokonce veškerou — temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře zapadá. Hmotnostní signatury odpovídají předpovědím některých modelů populace prvotních černých děr. V takovém pohledu není temná hmota exotickými částicemi, které nedokážeme zachytit, nýbrž nesčetnými černými dírami rozptýlenými po celém kosmu od jeho nejranějších epoch.
Signál slibný, ale zatím ne rozhodující
Navzdory nadšení část vědců krotí emoce. Odhady říkají, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, ale interpretace vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené se systémy více objektů v hustých hvězdokupách, které mohou generovat neobvyklé signály.
Proto tým prozatím objekt označuje jako „kandidáta" na prvotní černou díru. Aby fyzici přešli 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, takže šance na další záznamy roste s každým rokem.
Druhý, třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit fascinující hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud by několik nezávislých událostí potvrdilo existenci celé třídy sub-solárních černých děr, fyzici budou muset přepsat kapitoly učebnic týkající se Velkého třesku, rané kosmologie a povahy temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby bylo možné lépe pochopit význam současného signálu, je dobré 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, jedna osa se nepatrně stlačí a druhá prodlouží.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, ale pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „čiriknutí" gravitačních vln badatelé vyčítají hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů.
- Délka trvání signálu informuje o hmotnostech složek páru,
- amplituda se přepočítává na vzdálenost zdroje,
- výsledná 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 velký zájem vědecké komunity.
Co by potvrzení prvotních černých děr změnilo?
Pokud by další pozorování podpořila interpretaci Cappelluttiho a Magaraggii, čeká nás celá řada důsledků. Kosmologie získá nástroj ke zkoumání ultraraných epoch — výrazně dřívějších, než z jakých pochází kosmické mikrovlnné záření pozadí. Prvotní černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť podmínek panujících v prvních mikrosekundách existence kosmosu.
Teorie formování galaxií by rovněž vyžadovala revizi. Dodatečná populace hustých, kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shromažďuje, jak rostou hala temné hmoty a jak se formují první hvězdy. Pro fyziky částic je to také důležitý signál — pokud lví podíl hrají černé díry, prostor pro pátrání po exotických částicích se výrazně zužuje.
Jak si to může představit laik?
Pro lidi mimo vědecké prostředí zní pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čirá abstrakce. Pomůže jednoduchý obraz: představte si hrnec s vařící polévkou, v níž neustále stoupají a klesají bublinky. Ve velmi raném vesmíru takovými „bublinkami" byla zahušťování hmoty. Většina z nich se rozptýlila s rozpínáním vesmíru, ale některá mohla být tak hustá, že se sama pod sebou zhroutila a vytvořila černé díry.
Během následujících miliard 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 tak funguje jako pohlednice odeslaná z prvních okamžiků existence kosmosu.
