Astrofyzici v USA zachytili gravitační vlnu, která může pocházet z černé díry vzniklé okamžik po Velkém třesku. Objekt má hmotnost menší než Slunce, což odporuje všemu, co dosud vědci o černých dírách věděli.
Takový objekt by podle současných teorií neměl vůbec existovat. Běžné černé díry vznikají z hvězd a jejich hmotnost je vždy mnohem větší než hmotnost Slunce. Tento nový signál ale naznačuje, že někde ve vesmíru existuje černá díra, která k svému vzniku hvězdu vůbec nepotřebovala.
Pokud se interpretace potvrdí, budeme se poprvé v historii dívat na primordální černou díru – relikvii z první sekundy existence vesmíru. Taková zjištění mění nejen naše chápání raného kosmu, ale mohou vyřešit i jednu z největších záhad fyziky: co je to temná hmotnost. Vědci z Univerzity v Miami analyzovali data z detektoru LIGO a přišli s vysvětlením, které zní téměř science fiction, přitom je ale postavené na konkrétních měřeních a matematických modelech.
Jak vzniká černá díra, která nepotřebovala hvězdu
Standardní scénář vzniku černé díry je dobře popsaný v učebnicích astrofyziky. Na konci života masivní hvězda zkolabuje pod vlastní tíhou, vybuchne jako supernova a její jádro se promění v černou díru. Z tohoto důvodu hmotnost takového objektu výrazně převyšuje hmotnost Slunce, obvykle několikanásobně.
S novým signálem je situace jiná. Objekt, který se srazil s jiným tělesem a vytvořil zachycené gravitační vlny, má hmotnost výrazně nižší než Slunce. Teoreticky by tedy neměl existovat – pokud nevznikl z hvězdy, ale zcela jiným způsobem. Vědci z detektoru LIGO přitom vyloučili chybu měření a potvrdili, že signál označený jako S251112cm je skutečný.
Možným vysvětlením je primordální černá díra, která se zrodila v extrémních podmínkách těsně po Velkém třesku, ještě před tím, než se vůbec vytvořily první hvězdy. Takové objekty jsou kosmické „zkameněliny“ z první sekundy existence vesmíru. Podle teorie mohly vyrůst z velmi hustých shluků subatomární hmotnosti, které vznikly v horké, závratnou rychlostí se rozpínající prostoročase.
Tyto primordální černé díry nevyžadovaly žádnou hvězdu ani explozi supernovy – pouze extrémní hustotu a tlak. Výzkumníci Alberto Magaraggia a Nico Cappelluti z Univerzity v Miami porovnali předpovězenou frekvenci výskytu takových objektů s reálnými daty sbíranými od roku 2015. Vzácnost tohoto signálu dobře souhlasí s teoretickými modely pro primordální černé díry.
Proč hmotnost dělá v tomto případě zásadní rozdíl
Běžné černé díry pozorované astronomy mají zhruba dva typické rozsahy hmotností. První skupina zahrnuje objekty o několika až desítkách hmotností Slunce – ty vznikly jako pozůstatky masivních hvězd. Druhá kategorie obsahuje obry s miliony až miliardami hmotností Slunce, které se nacházejí v centrech galaxií.
Objekt naznačený novým signálem se nachází výrazně pod dolní hranicí známou z těchto případů. To způsobuje, že klasický hvězdný scénář prakticky odpadá a na scénu vstupuje koncepce primordálních černých děr. Detektory ve Washingtonu a Louisianě, které tvoří observatoř LIGO, dokázaly zaznamenat vlnění prostoročasu s přesností na zlomky průměru atomového jádra.
Další důležitou indicií je frekvence výskytu. Primordální černé díry by měly být vzácné, ale ne natolik, aby byly neměřitelné. Signál se objevuje přesně tak sporadicky, jak by měl, pokud tyto objekty skutečně existují. Vědci to ověřili statistickým porovnáním s databází tisíců zaznamenaných událostí z posledních osmi let provozu detektoru.
Některé alternativní hypotézy zahrnují exotické hvězdné objekty jako kvarkové hvězdy nebo bosonové hvězdy, ale ty vyžadují ještě více spekulativní fyziku než primordální černé díry. Výzkumníci z amerických observatoří nyní pracují na tom, aby vyloučili všechny méně pravděpodobné možnosti a posílili hlavní interpretaci.
- Černé díry z hvězd: hmotnost několik až sto hmotností Slunce
- Supermasivní černé díry: miliony až miliardy hmotností Slunce v centrech galaxií
- Primordální černé díry: hmotnost od asteroidu až po několik hmotností Slunce
- Vznik primordálních děr: první sekundy po Velkém třesku
- Klasické černé díry: vznik kolapsem hvězdy na konci jejího života
- Detekce LIGO: mikroskopická drgání prostoročasu při srážkách
Jak LIGO „slyší“ vesmír pomocí gravitačních vln
Za celým příběhem stojí LIGO – americká observatoř gravitačních vln, která měří mikroskopické vibrace prostoru vznikající při srážkách extrémně masivních objektů. V roce 2015 LIGO poprvé zaznamenala signál z kolize černých děr, což vedlo k Nobelově ceně za fyziku a revoluci v astronomii.
Nyní stejný přístroj zachycuje něco mnohem subtilnějšího. Signál S251112cm se vyznačuje hmotností objektu, kterou nelze snadno zařadit do známých kategorií. Dva vědci z Univerzity v Miami analyzovali data a ukazují na primordální černou díru jako na nejkoherentnější vysvětlení. Interferometry v Hanfordu a Livingstonu dokázaly rozlišit tento signál v obrovském množství šumu.
LIGO ukázala, že je schopná nejen zaznamenávat spektakulární kolize masivních černých děr, ale také stopovat mnohem lehčí a exotičtější objekty skryté v datech. Detektory používají laserové paprsky putující vakuovými tunely dlouhými čtyři kilometry. Když gravitační vlna projde Zemí, stlačí prostor v jednom směru a roztáhne ho v kolmém směru.
Jedno srážka věc nerozhoduje. Takový signál může mít alternativní interpretace a astrofyzici jsou známí svou opatrností. Proto badatelé otevřeně přiznávají, že k silnému potvrzení je potřeba několik, nejlépe více než deset podobných událostí. Přesto samotná skutečnost, že instrumenty vůbec dosahují takové citlivosti, otevírá novou oblast výzkumu.
Mohly by primordální černé díry vysvětlit temnou hmotnost
Na tom ale věc nekončí. Pokud signál skutečně pochází od primordální černé díry, dotýkáme se problému, s nímž se fyzici potýkají desítky let – takzvané temné hmotnosti. Z pozorování pohybů hvězd a galaxií vyplývá, že ve vesmíru chybí obrovské množství hmoty.
Vše, co vidíme – hvězdy, planety, plyn, prach – tvoří pouze přibližně 15 procent toho, co je potřeba k vysvětlení gravitačního chování kosmu. Zbytek představuje neviditelná hmota, která nesvítí ani neodráží světlo, ale gravitačně přitahuje. Výzkumníci z observatoří po celém světě se snaží odhalit, z čeho se tato temná hmotnost skládá.
Jedna z hypotéz tvrdí, že značnou část této chybějící hmoty mohou tvořit právě primordální černé díry rozptýlené v prostoru jako mikroskopické, neviditelné „koule tíže“. Pokud LIGO skutečně začala registrovat takové objekty, nejde jen o zajímavost. Vědci získávají nástroj k jejich počítání a odhadování celkové hmotnosti.
Každá další událost pomůže odpovědět na otázku, zda se primordální černé díry dají sladit s pozorováními galaxií, kulových hvězdokup nebo kosmického mikrovlnného pozadí. Teoretici z Kalifornského technologického institutu pracují na modelech, které propojují hustotu primordálních černých děr s distribucí hmoty v raném vesmíru. Další týmy z Evropské jižní observatoře zkoumají, jak takové objekty ovlivňují pohyb hvězd v naší Galaxii.
- Temná hmotnost tvoří asi 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru
- Nesvítí, neodráží světlo a detekujeme ji jen gravitačně
- Primordální černé díry jako možný kandidát na temnou hmotnost
- LIGO umožňuje spočítat frekvenci výskytu těchto objektů
- Kosmické mikrovlnné pozadí omezuje maximální množství primordálních děr
- Pohyby hvězd v galaxiích mohou odhalit přítomnost malých černých děr
- Gravitační čočkování jako další metoda detekce
Co přinese LISA a další generace detektorů gravitačních vln
LIGO není jediným nástrojem na obzoru. Evropská kosmická agentura vyvíjí projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – kosmický detektor gravitačních vln. Tři družice mají vytvořit gigantický trojúhelníkový interferometr obíhající kolem Slunce. Start se plánuje na polovinu třicátých let.
LISA bude citlivá na jiný rozsah frekvencí než LIGO, což znamená, že zachytí zcela nové typy zdrojů. Pro primordální černé díry to může být průlom – některé z nich, zvláště ty v párech, mohou generovat vlny přesně odpovídající citlivosti kosmického interferometru. Inženýři z Evropské kosmické agentury už testovali prototypy technologií na palubě mise LISA Pathfinder.
Dalším příslibem je detektor Einstein Telescope, který se má postavit v podzemí někde v Evropě. Jeho ramena budou dlouhá deset kilometrů a bude umístěn hluboko pod zemí, aby byl chráněn před seismickým šumem. Japonský projekt KAGRA v podzemní observatoři v horách již sbírá první data a přispívá do mezinárodní sítě detektorů.
Tyto přístroje společně vytvoří globální síť schopnou triangulovat polohu zdrojů gravitačních vln s přesností lepší než deset stupňů na obloze. To umožní astronomům namířit optické a rádiové teleskopy přesně tam, kde ke srážce došlo, a hledat případné elektromagnetické záblesky doprovázející událost.
Jak si představit tak malou černou díru ve srovnání s běžnými objekty
Černá díra lehčí než Slunce zní trochu abstraktně, takže stojí za to ji zasadit do něčeho hmatatelného. Kdyby existovala primordální černá díra s hmotností například většího asteroidu, měla by velikost blízkou fotbalovému míči nebo dokonce menší. A přesto by její gravitace převyšovala gravitaci celé hory a v blízkosti horizontu událostí by neunikl ani paprsek světla.
Takové objekty jsou prakticky nezjistitelné klasickými teleskopy. Nesvítí, neodrážejí světlo, někdy se mohou prozradit tím, že zakřivují dráhu paprsků běžících za nimi, nebo – jako v tomto případě – vydávají gravitační vlny během srážky s jinou hmotou. Vědci z observatoře na Kanárských ostrovech se pokusili detekovat primordální díry pomocí gravitačního čočkování světla vzdálených hvězd.
Rozměry takové černé díry by mohly být srovnatelné s pomerančem, přitom by vážila tolik jako Měsíc. Hustota hmoty by byla tak extrémní, že by se vymykala běžné představivosti. Teoretici vypočítali, že pokud by podobný objekt proletěl Sluneční soustavou, mohl by narušit oběžné dráhy planet v pásu asteroidů.
Někteří vědci spekulují, že primordální černé díry by mohly cestovat vesmírem rychlostí stovek kilometrů za sekundu, prakticky neviditelné a nezastavitelné. Pokud by jedna taková díra prolétla Zemí, pravděpodobně bychom to ani nezaznamenali – pokud by neprošla dostatečně blízko, aby způsobila měřitelné gravitační účinky.
Co znamená jedno neobvyklé pozorování pro budoucnost výzkumu
Ačkoli signál S251112cm vyžaduje potvrzení, už nyní ovlivňuje to, jak vědci plánují budoucí studie. Začíná se procházet archivní data s cílem najít podobné, dříve přehlížené události. Teoretické týmy zdokonalují modely, které předpovídají, jak přesně by měly vypadat srážky primordálních černých děr různých hmotností.
Pro nás, běžné pozorovatele, celý příběh ukazuje, jak rychle se astronomie mění. Ještě před deseti lety byly gravitační vlny pouze konceptem z Einsteinových rovnic. Dnes se stávají nástrojem ke zkoumání nejnedostupnějších etap v dějinách kosmu – těch, které neukáže žádný optický ani rádiový teleskop.
Pokud příští roky přinesou více podobných signálů, pojmy jako „primordální černá díra“ nebo „temná hmotnost“ mohou přestat znít jako čistá teorie. Postupem času se stanou součástí konkrétních katalogů objektů s popsanými hmotnostmi, frekvencí srážek a vlivem na evoluci galaxií. Můžeme se tak dozvědět mnohem více o tom, jak vlastně vesmír vznikl a co se odehrávalo v prvních okamžicích po Velkém třesku.
