Neobvyklý signál gravitačních vln fyziky zaskočil
Výzkumný tým LIGO–Virgo–Kagra analyzoval nahrávku srážky dvou kompaktních objektů označené symbolem S251112cm. Když fyzici sečetli hmotnosti účastníků tohoto vesmírného события, objevili něco překvapivého: jeden z nich váží méně než naše Slunce. Podle klasické astrofyziky by taková černá díra vůbec neměla existovat. Právě proto někteří vědci nyní tvrdí, že můžeme pozorovat první známý důkaz tzv. primordální černé díry, která se vytvořila krátce po Velkém třesku.
Data naznačují přítomnost objektu tak lehkého, že neodpovídá žádnému známému modelu hvězdné evoluce.
Gravitační vlny přinášejí kosmickou záhadu
Všechno začíná rutinním záznamem gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry měří mikroskopické změny vzdálenosti mezi zrcadly způsobené průchodem gravitačních vln skrz Zemi.
Většina takových signálů pocházejí ze srážek černých děr o hmotnostech deseti až padesáti slunečních hmotností. Tentokrát ale analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného: jeden ze dvou slučujících se objektů má hmotnost v rozmezí od zhruba jedné desetiny do nepatrně pod jednu hmotností Slunce.
Tak lehká černá díra se nevejde do rámce známých procesů hvězdné evoluce. Jde o důležitý signál, že se setkáváme s jiným mechanismem jejího vzniku.
Vědci okamžitě prověřili tradičnější vysvětlení. Kdyby signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, musela by se tato událost zaregistrovat také pomocí světla – v paprscích gama, rentgenových nebo alespoň v optickém oboru. Pátrání po doprovodnému záblesku nepřineslo žádné výsledky. Zbývala tedy značně exotičtější možnost.
Černá díra menší než město
Objekty podobné hmotnosti Slunce, které známe z astronomických katalogů, jsou především velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vzniklá zhroucením masivní hvězdy je mnohem těžší – podle současných modelů musí vážit nejméně okolo tří slunečních hmotností.
Pro objekt o hmotnosti zhruba 0,87 sluneční hmotnosti výpočty dávají rozměry srovnatelné s větším středo-evropským městem. Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně 5 kilometrů. To je vzdálenost, kterou lze pohodlně urazit za půl hodiny – a mluvíme zde o zabalení téměř celé hmotnosti Slunce v takovém měřítku.
Aby se vytvořilo něco tak extrémního, bylo by třeba podmínek, které nezajišťuje žádný známý proces probíhající v hvězdách. Astrofyzikové zdůrazňují, že fyzika klasické hvězdné evoluce neumožňuje vytvoření černé díry tak nízké hmotnosti prostým zhroucením hvězdného jádra.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Proto zaměřují vědci svůj pohled hluboko do minulosti, do časů, kdy byl Vesmír mladší než miliontin sekundy. V tomto období se hmota chová jinak než dnes: dominuje tzv. kvark-gluonová plazma a hustoty i teploty jsou nezměřitelné.
Již v sedmdesátých letech fyzikové včetně Stephena Hawkinga předpokládali, že v takovém prostředí mohly lokální výkyvy hustoty zhroucením vlastní vahou vytvářet celou populaci miniaturních černých děr. Dostaly jméno primordální černé díry.
Tým naznačuje, že analyzovaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s kvantovou chromodynamikou, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář pravdivý, signál S251112cm by byl prvním hmotným důkazem, že takové útvary doopravdy přežily až do dnešních časů. Znamenalo by to, že Vesmír již v těch prvních chvílích začal produkovat černé díry v množstvích, o kterých se dosud mluvilo pouze v rovnicích.
Je tmavá materie mořem miniaturních černých děr?
Skládanka se stává ještě zajímavější, když vědci spojují tohoto kandidáta na primordální černou díru s problémem takzvané tmavé materie. Už desítky let víme, že viditelná materie – hvězdy, plyn, prach – tvoří pouze malou část vesmírné bilance. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje pouze prostřednictvím gravitace.
Dosavadní výzkum hledal částice odpovídající za tuto chybějící složku, například WIMP částice zaznamenávané v podzemních detektorech. Hledání doposud nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo cestu alternativním myšlenkám.
Pokud primordální černé díry existují v odpovídajícím počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit významnou část, možná dokonce celou tmavou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že zjištěný objekt vyhovuje tomuto scénáři. Podpis hmotnosti se shoduje s předpověďmi některých modelů populace primordálních černých děr. V takové vizi je tmavá materie ne egzotických částic, které neumíme detekovat, nýbrž nespočet černých děr rozptýlených po celém vesmíru od nejstarších epoch.
Signál slibný, ale dosud nerozhodující
Přestože někteří vědci projevují nadšení, druzí zůstávají opatrní. Odhady ukazují, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, přesto interpretace vyžaduje obezřetnost. Stále existují složitější scénáře související se systémy mnoha objektů v hustých hvězdných hromadách, které mohou generovat neobvyklé signály.
Tým zatím objekt označuje jako „kandidáta" na primordální černou díru. Aby se posunuli od domněnky k pevnému závěru, potřebují fyzici více podobných událostí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK má zde zásadní význam: detektory dosahují stále vyšší citlivosti, takže šance na další detekce roste každý rok.
Druhý a třetí signál se srovnatelnými parametry by mohly změnit zajímavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy subslunečních černých děr, fyzikové budou muset přepsat kapitoly v učebnicích týkajících se Velkého třesku, rané kosmologie a podstaty tmavé materie.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby se lépe pochopila váha současného signálu, stojí za to vědět, co přesně měří LIGO či Virgo. Jde o zařízení, v nichž se laserový paprsek šíří ve dvou kolmých ramenech a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když jimi procházejí gravitační vlny, nepatrně stlačují jednu osu a druhou natahují.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, avšak pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Ze tvaru zaznamenané „hlasitosti" gravitačních vln vědci odčítají hmotnosti, vzdálenost a typ srážejících se objektů.
- doba trvání signálu napovídá hmotnostem složek páru,
- amplituda se promítá do vzdálenosti zdroje,
- konečná frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu,
- absence světelného signálu usnadňuje vyloučení neutronových hvězd.
V případě S251112cm se všechny tyto prvky seskupily do obrazu systému, v němž jeden z účastníků vykazuje netypicky nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil takový zájem.
Co by se změnilo, kdyby se primordální černé díry potvrdily?
Pokud budoucí pozorování podpoří interpretaci vědců, čeká nás řada důsledků. Kosmologie by získala nástroj na zkoumání ultranedávných epoch, mnohem starších než období, ze kterého pochází reliktní záření. Primordální černé díry by sloužily jako sondy pamatující si podmínky panující v prvních mikrosekundách trvání vesmíru.
Také teorie vzniku galaxií by vyžadovala úpravu. Dodatečná populace hustých, kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak se rozšiřují obaly tmavé materie a jak se formují první hvězdy. Pro fyziky částic to rovněž znamená důležitý signál, že pátrání po exotických částicích by mohlo mít menší prostor, pokud by černé díry hrály podstatnou roli.
Jak si to představit bez odborného vzdělání?
Pro lidi mimo vědecké prostředí zní pojmy typu „éra kvantové chromodynamiky" jako čistá abstrakce. Pomáhá jednoduchý obraz: představte si hrnec s bublající polévkou, v níž se neustále objevují a mizí bublinky. V raném vesmíru byly takové „bublinky" shluky hmoty. Většina se rozptýlila, když se Vesmír rozpínal, některé ale byly natolik husté, že se pod svou váhou zhroutily a vytvořily černé díry.
Během následujících miliard let by takové objekty krážily téměř neviditelně mezi galaxiemi a v jejich nitru, občas se srazily se. Právě při těchto vzácných srážkách se tvoří gravitační vlny, které dnes zachytávají zemské detektory. Každý takový signál tedy funguje jako pohlednice poslána z prvních chvil trvání vesmíru.
