Detektory LIGO, Virgo a Kagra zaznamenaly neobvyklý signál z vesmíru. Analýza naznačuje, že při srážce se účastnil objekt lehčí než Slunce – příliš malý na běžný typ černé díry.
Takový scénář se nevejde do standardních modelů vývoje hvězd. Stále hlasitěji se mluví o tom, že by mohlo jít o první stopu takzvané primordiální černé díry, která vznikla v samotných počátcích vesmíru.
Vědci pracující s detektory gravitačních vln dnes sledují už desítky událostí ročně. Většinou jde o srážky černých děr nebo neutronových hvězd, které mají typicky několik až desítky slunečních hmotností. V únoru letošního roku však tým narazil na signál, který se vymyká. Jedno z objektů zúčastněných ve srážce mělo hmotnost pouhých 0,1 až 0,87 hmotnosti Slunce. Astronomové takovouto lehkou černou díru z klasického hvězdného kolapsu prostě nečekali.
Badatelé ihned prověřili běžná vysvětlení. Mohlo by jít třeba o neutronovou hvězdu nebo bílého trpaslíka. Problém je v tom, že při jejich kolizích detektory obvykle zachytí i záblesky elektromagnetického záření – paprsky gama, rentgenové světlo nebo dlouhodobé dosvity ve viditelné části spektra. Tentokrát teleskopy nezaznamenaly vůbec nic. Zůstaly jenom gravitační vlny, přesně jako u typické srážky dvou černých děr.
Proč běžná hvězda nedokáže vytvořit takto malou černou díru
Aby vznikla klasická černá díra, musí masivní hvězda ukončit život dramatickým kolapsem. Jádro se zhroutí pod vlastní tíhou a vnější vrstvy odhodí v supernově. Fyzika takových zhroucení stanovuje dolní hranici hmotnosti černé díry.
Teoretická spodní hranice hmotnosti hvězdné černé díry činí asi tři hmotnosti Slunce. Typický rozsah hmotností hvězdných černých děr se pohybuje od několika do desítek slunečních hmotností. Událost označená symbolem S251112cm ukazuje objekt o hmotnosti menší než jedna sluneční hmotnost. Data naznačují s pravděpodobností přes 99 procent, že alespoň jeden z objektů měl hmotnost nižší než Slunce.
Současné modely vývoje hvězd říkají jasně: běžná hvězda nedokáže vytvořit černou díru tak malou, jak naznačuje analýza gravitačních vln. Kdyby signál skutečně pocházel od miniaturní černé díry, musela by vzniknout úplně jiným procesem.
Prastaré černé díry podle Stephena Hawkinga
Tady vstupují na scénu takzvané primordiální černé díry, o nichž teoretizoval mimo jiné Stephen Hawking. Na rozdíl od klasických nevznikají z hvězd. Jejich původ sahá k zlomkům sekund po Velkém třesku.
V ultramladém vesmíru panovaly extrémní podmínky: nepředstavitelné teploty, hustoty a prudké fluktuace v rozmístění hmoty. V určitých oblastech se hmota mohla nahromadit tak hustě, že lokální gravitační kopec se zhroutil bez účasti hvězdy a okamžitě vytvořil černou díru. Vědci navrhují, že objekt vznikl během fáze spojené s kvantovou chromodynamikou, pouhé mikrosekundy po počátku vesmíru – tedy v epoše, kdy běžné hvězdy ještě vůbec neexistovaly.
Pokud je interpretace správná, síť LVK možná poprvé zaznamenala signál ze srážky právě takové prastaré černé díry s jiným objektem. To ukazuje, že gravitační vlny se stávají nástrojem nejen ke studiu exotických hvězd, ale také nejranějších okamžiků existence vesmíru. Badatelé z Kalifornské univerzity, Evropské jižní observatoře a dalších institucí nyní procházejí detailní analýzou všech parametrů signálu.
Černá díra velikosti města
Co vlastně znamená černá díra o hmotnosti 0,87 slunečních hmotností? Číslo nevypadá dramaticky nízké, dokud se nepodíváme na její rozměr. Takový objekt by byl extrémně kompaktní – jeho průměr by činil asi pět kilometrů.
Jde o něco s hmotností srovnatelnou se Sluncem, nacpané do oblasti zhruba velikosti středně velkého města. Tak extrémní hustotní podmínky se zdají možné pouze v dobách těsně po Velkém třesku, kdy hmota procházela prudkými fázovými přeměnami. Objekty o podobných parametrech předpovídají teoretické výpočty zabývající se velmi ranou kosmologií.
Astronomy zajímá i to, jak se takové miničerné díry chovaly v průběhu miliard let. Některé mohly pohlcovat okolní hmotu a růst, jiné zůstaly izolované a prakticky neměnné. Každopádně by dnes měly existovat rozptýlené po celém vesmíru.
Temná hmota jako mračno miničerných děr
Pokud se interpretace signálu S251112cm jako stopy primordiální černé díry potvrdí, důsledky přesáhnou pouhou klasifikaci exotického objektu. Do hry vstupuje otázka podstaty temné hmoty.
Astronomové už roky vědí, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří pouze malou část kosmické skládanky. Na chování galaxií, kup galaxií a velkých kosmických struktur působí dodatečná hmota, kterou nelze vidět v žádné části záření. Pojmenovali ji temná hmota.
Po desítky let se hledaly hypotetické nové částice – od slavných WIMP až po exotické lehké bosony. Jeden pokus za druhým v podzemních detektorech částic však končil mlčením. V tomto kontextu začaly miničerné díry znít stále přesvědčivěji jako alternativa. Analýza naznačuje, že při odpovídajícím počtu a rozložení hmotností by primordiální černé díry mohly vysvětlit významnou část, případně celou temnou hmotu, bez zavádění úplně nových elementárních částic.
V tomto scénáři by byl vesmír plný maličkých černých děr, rozmístěných nenápadně v halo galaxií a mezigalaktickém prostoru. V běžném životě by zůstaly prakticky neviditelné, ale jejich společný gravitační vliv by vysvětloval chování galaxií pozorované astronomy. Výzkumníci z Massachusettského technologického institutu, Národní observatoře v Arizoně a japonského detektoru Kagra nyní připravují další pozorovací kampaně.
Vědci tlumí nadšení – zatím jde o silného kandidáta
Přes znatelné vzrušení v komunitě si badatelé udržují odstup. Analýza zveřejněná na serveru arXiv a přihlášená do prestižního časopisu teprve prochází procesem recenze. Vědci mluví přímo o „kandidátovi“ na primordiální černou díru.
Ještě je třeba ověřit, zda se signál nedá vysvětlit jinak, například jako efekt složitých interakcí v extrémně hustých hvězdokupách. V takových prostředích mohou obíhající objekty tvořit vícenásobné systémy, ve kterých dochází k sériím srážek a záchytů generujících komplikované gravitační vlny. Prozatím všechno nasvědčuje tomu, že interpretace primordiální černé díry je nejjednodušší a nejlépe odpovídá datům, ale fyzici potřebují ještě jeden klíčový prvek: opakování.
Pokud během probíhající kampaně detektory LVK zaznamenají druhý podobný signál s objektem pod hmotností Slunce, hypotéza primordiálních černých děr získá úplně jinou váhu – z teoretické kuriozity se promění v novou kategorii reálných kosmických objektů. Badatelé z Virgo kolaborace ve Francii a италských výzkumných center v Pise a Padově už připravují protokoly pro automatické prohledávání archivních dat.
Jak fungují detektory LIGO, Virgo a Kagra poslouchající časoprostor
Gravitační vlny jsou mikroskopické zvlnění v samotné struktuře časoprostoru. Aby je vědci zachytili, postavili obří interferometry – zařízení měřící minimální změny vzdálenosti mezi zrcadly rozmístěnými v tunelech dlouhých několik kilometrů.
LIGO ve Spojených státech, Virgo v Itálii a Kagra v Japonsku dnes tvoří globální síť „uší“ naslouchajících vzdáleným kosmickým katastrofám. Když gravitační vlna projde Zemí, jemně zkrátí jedno rameno interferometru a prodlouží druhé. Změna je menší než průměr protonu, ale citlivá aparatura ji dokáže zaznamenat.
- LIGO – dva detektory v USA, které jako první zaregistrovaly gravitační vlny v roce 2015
- Virgo – evropský interferometr zvyšující přesnost lokalizace zdrojů na obloze
- Kagra – japonský detektor chlazený na velmi nízké teploty, postavený v tunelu pod horou
- Sítě detektorů umožňují triangulaci a přesné určení polohy zdroje signálu
- Každý detektor používá lasery a soustavy zrcadel v ultračistém vakuu
- Seismická izolace chrání přístroje před vibracemi ze Země
- Systémy aktivního tlumení kompenzují mikrotřesy z dopravy a přírody
- Data se zpracovávají supercomputery schopnými vyhodnotit miliony parametrů
Díky spolupráci těchto tří přístrojů vědci nejen měří tvar vln, ale také rekonstruují parametry objektů, které je vyvolaly: hmotnost, vzdálenost a dokonce rotaci. Právě tato metoda umožnila konstatovat, že v události S251112cm se účastnil objekt pod hmotností Slunce. Technologie vyvinuté pro LIGO později našly využití v optických senzorech, přesné navigaci a lékařském zobrazování.
Co vlastně gravitační vlna je
Ve velkém zjednodušení ji můžeme přirovnat k vlně na vodě, ale šířící se nikoliv ve vodě, nýbrž v samotné struktuře prostoru. Když obrovské hmoty, jako černé díry, krouží kolem sebe a srazí se, „rozvlní“ časoprostor tak intenzivně, že efekt této bouře dorazí miliardy světelných let daleko.
LIGO a ostatní detektory nezaznamenávají obraz objektu, pouze precizní záznam toho, jak se mění délka ramen interferometru. Na základě této křivky počítač přizpůsobuje nejlepší model srážky a vytahuje z něj informace o hmotnostech a typu zúčastněných objektů. Postupy analýzy dat vyvíjejí týmy z Hanoverské univerzity, Stanfordské univerzity a Národního institutu jaderné fyziky v Itálii.
Gravitační vlny procházejí hmotou prakticky bez interakce, na rozdíl od elektromagnetického záření. Proto přinášejí informace o událostech, které by jinak zůstaly neviditelné – například z nitra srážejících se černých děr nebo z prvních okamžiků po Velkém třesku.
Co dál – hon na další miničerné díry a důsledky pro fyziku
Pokud interpretace primordiální černé díry vydrží kritiku, v příštích letech lze očekávat ofenzivu nových výzkumů. Astronomové budou prohledávat archivy dat z předchozích kampaní LVK, aby našli další přehlédnuté signály s objekty pod hmotností Slunce.
Paralelně začnou teoretici přizpůsobovat modely vzniku primordiálních černých děr novým omezením: jak často mohly vznikat, jakou typickou hmotnost mají a zda jejich populace skutečně může vysvětlovat temnou hmotu. To znamená korekci scénářů vývoje mladého vesmíru včetně fází spojených s velmi raným přeměnami hmoty. Výzkumné týmy z Heidelberské univerzity, Tokijské univerzity a Ústavu astrofyziky v Paříži už oznámily koordinované úsilí.
Pro laiky celé téma zní abstraktně, ale má překvapivě konkrétní důsledky. Kdyby se temná hmota ukázala být prostě mračnem miničerných děr, změnilo by to způsob plánování budoucích kosmických misí, prognózy signálů v neutrinových detektorech i návrhy experimentů s elementárními částicemi. Část plánovaných nákladných zařízení by mohla ztratit smysl a na jejich místo by přišly nové nápady více zaměřené na astronomii gravitačních vln. Mělo by to dopad i na chápání struktury galaxií, chování černých děr v raných fázích vesmíru a dokonce na budoucí strategie hledání mimozemského života, protože rozložení hmoty ovlivňuje tvorbu planet.
Každý další zaznamenaný signál s účastí tak malých černých děr poskytuje šanci na testování teorie gravitace v extrémním režimu. To zase může ukázat, kde hledat novou fyziku přesahující obecnou teorii relativity a standardní model částic. Možná právě odtud vzejdou technologie, které za roky proniknou do běžného života – podobně jako navigace ze satelitů nebo pokročilé metody lékařského zobrazování, které mají kořeny v teoretické fyzice minulého století.
