Neobvyklý signál gravitačních vln přinesl objekt s hmotností menší než Slunce, což podle klasické astrofyziky není možné. Vědci z týmu LIGO–Virgo–Kagra narazili na stopu, která by mohla přepsat učebnice kosmologie.
Data z detektorů gravitačních vln ukazují na objekt tak lehký, že neodpovídá žádnému známému modelu vzniku hvězdné černé díry. Vědci z mezinárodní spolupráce LIGO–Virgo–Kagra analyzovali záznam srážky dvou kompaktních objektů, označené symbolem S251112cm. Když sečetli hmotnosti účastníků této kosmické kolize, ukázalo se, že jeden z nich váží méně než Slunce. Pro klasickou astrofyziku taková černá díra v podstatě nemá právo existovat. Právě proto část výzkumníků dnes mluví o tom, že možná sledujeme první historicky zaznamenanou stopu po takzvané pradávné černé díře, která vznikla těsně po Velkém třesku.
Tento objev by mohl zásadně změnit pohled na raný vesmír i na tajemnou temnou hmotu. Pokud se potvrdí, že podobné objekty existují ve větším počtu, dostane se nám do rukou unikátní sonda do prvních mikrosekund existence kosmu. Detektory gravitačních vln by tak mohly odhalit epochy nedostupné žádným jiným způsobem pozorování.
Vědci zároveň spekulují, že tyto prapůvodní černé díry by mohly tvořit podstatnou část či dokonce celou temnou hmotu, kterou dosud nikdo nedokázal přímo identifikovat. Místo exotických částic by se tak ukázalo, že neviditelný základ vesmíru tvoří nesčetné množství miniaturních černých děr roztroušených po celém kosmu od samého počátku.
Jak gravitační vlny přinesly kosmickou záhadu
Vše začíná zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry měří mikroskopické změny vzdálenosti mezi zrcadly, vyvolané průchodem gravitačních vln Zemí. Většina takových signálů pochází ze srážek černých děr s hmotností desítek slunečních hmotností.
Tentokrát však analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného. Jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost v rozmezí od přibližně jedné desetiny do necelé jedné sluneční hmotnosti. Tak lehká černá díra se nevejde do rámců známých procesů hvězdného vývoje. To je vážný signál, že máme co do činění s jiným mechanismem jejího vzniku.
Výzkumníci okamžitě prověřili tradičnější vysvětlení. Pokud by signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, mělo by se to zaznamenat i ve světle – v gama paprscích, rentgenovém nebo alespoň v optickém spektru. Hledání doprovázejícího záblesku nepřineslo žádný výsledek. Ve hře tedy zůstal scénář mnohem exotičtější.
Někteří astrofyzikové připomínají, že absence světelného signálu je klíčová. Doktor Nico Cappelluti a jeho kolega Alberto Magaraggia zdůrazňují, že právě tento detail ukazuje na objekty, které neobsahují běžnou hmotu, jež by mohla explodovat nebo zářit.
Černá díra menší než české krajské město
Objekty s hmotností blízkou Slunci, které známe z astronomických katalogů, jsou většinou velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající z kolapsu masivní hvězdy je mnohem těžší – podle současných modelů musí mít nejméně asi tři sluneční hmotnosti. Pro objekt s hmotností řádu 0,87 sluneční hmotnosti výpočty dávají rozměry srovnatelné s větším českým městem.
Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně pět kilometrů. To je vzdálenost, kterou v pohodě uběhneš za půl hodiny – a přitom mluvíme o nabalení téměř celé hmotnosti Slunce do takového měřítka. Aby se vytvořilo něco tak extrémního, jsou potřeba podmínky, které neposkytuje žádný známý proces odehrávající se v hvězdách.
Astrofyzici podtrhují, že fyzika klasického hvězdného vývoje neumožňuje vytvoření černé díry s tak nízkou hmotností prostým kolapsem hvězdného jádra. Hvězdy s příliš malou hmotností prostě nedokážou vytvořit dostatečný tlak na zhroucení do černé díry. Končí jako bílí trpaslíci nebo neutronové hvězdy, nikoliv jako černé díry.
- Průměr objektu činí asi pět kilometrů
- Hmotnost se pohybuje mezi 0,1 a 0,87 sluneční hmotnosti
- Klasická hvězdná evoluce vyžaduje minimálně tři sluneční hmotnosti
- Hustota překračuje jakýkoliv pozemský materiál miliardy miliard krát
- Žádný známý proces ve hvězdách toto nedokáže vytvořit
- Objekt neobsahuje světelnou materii, která by mohла zářit
Někteří vědci srovnávají hustotu takovéhoto objektu s nabalením celé populace Prahy do velikosti kuličky na hraní. Jde o podmínky, které se v běžném vesmíru prostě nevyskytují.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Proto autoři nové analýzy směřují pohled mnohem dál do minulosti, do dob, kdy měl vesmír méně než milióntinu sekundy. V tomto období se hmota chová jinak než dnes – dominuje takzvané kvarko-gluonové plazma a hustoty i teploty jsou nepředstavitelné. Už v sedmdesátých letech teoretičtí fyzici, včetně Stephena Hawkinga, předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty zapadat pod vlastní tíhou.
Výsledkem by byla celá populace miniaturních černých děr. Získaly název pradávné černé díry. Tým naznačuje, že analyzovaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s fyzikou kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku. Pokud je tento scénář pravdivý, signál S251112cm by byl první hmatatelnou indicií, že takové útvary skutečně přežily do dnešních časů.
Znamená to, že vesmír už ve svých prvních okamžicích začal produkovat černé díry v množstvích, o nichž se dosud mluvilo pouze v rovnicích. Výzkumníci z observatoře LIGO v americkém státě Louisiana a z detektoru Virgo v italské Pise společně potvrdili, že statistická významnost signálu je vysoká. Pravděpodobnost, že by šlo o náhodný šum, je nižší než jedno procento.
Vědci upozorňují, že takový objev by nám umožnil nahlédnout do epoch, které jsou pro jiná pozorování zcela nepřístupné. Reliktní záření z mikrovlnného pozadí pochází z doby asi tři sta tisíc let po Velkém třesku. Pradávné černé díry by však nesly informace o časech mnohem ranějších.
Je temná hmota moře miniaturních černých děr
Pečlivá skládačka se stává ještě zajímavější, když badatelé spojí tohoto kandidáta na pradávnou černou díru s problémem takzvané temné hmoty. Po desetiletí je známo, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří jen nepatrnou část kosmické bilance hmotnosti. Přibližně osmdesát pět procent představuje neviditelná složka, která se projevuje pouze gravitací.
Dosud mnoho skupin hledalo částice zodpovědné za tuto chybějící součást, například takzvané WIMPy zaznamenávané v podzemních detektorech. Pátrání zatím nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo cestu alternativním nápadům. Pokud pradávné černé díry existují v odpovídajícím počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část, nebo dokonce celou temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt odpovídá takovému scénáři. Hmotnostní signatura souhlasí s předpověďmi některých modelů populace pradávných černých děr. V takové vizi temná hmota není exotická částice, kterou neumíme vypátrat, nýbrž nesčetné černé díry rozsypané po celém kosmu od nejranějších epoch.
Tento přístup vysvětluje i další záhady. Vědci z univerzity Yale a z německého Institutu Maxe Plancka pro astrofyziku v Garchingu dlouhodobě počítají, jak by se galaktické struktury vyvíjely, kdyby temnou hmotu tvořily kompaktní objekty místo částic. Výsledky ukazují, že taková distribuce může vysvětlit pozorované tvary galaxií i rychlosti hvězd.
Signál slibný, ale ještě ne rozhodující
I přes nadšení část vědců tlumí emoce. Odhady říkají, že pravděpodobnost hmotnosti menší než jedna sluneční hmotnost dosahuje přes devadesát devět procent, ale interpretace vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené se soustavami více objektů v hustých hvězdokupách, které mohou generovat neobvyklé signály.
Proto tým zatím označuje objekt jako „kandidáta“ na pradávnou černou díru. Aby postoupili od náznaku k silnému závěru, fyzikové potřebují více podobných událostí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK má zde zásadní význam – detektory dosahují stále vyšší citlivosti, takže šance na další záznamy roste každým rokem.
Druhý, třetí signál s porovnatelnými parametry by mohl proměnit fascinující hypotézu v novou kapitolu kosmologie. Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy subslunečních černých děr, fyzikové budou muset přepracovat kapitoly v učebnicích týkající se Velkého třesku, raného vesmíru a podstaty temné hmoty.
Někteří badatelé ze spolupráce LIGO–Virgo–Kagra však zdůrazňují, že je třeba vyloučit všechny konvenční možnosti. Například vzácné konfigurace neutronových hvězd v těsných dvojhvězdách by teoreticky mohly vytvořit podobný signál. Analýza dat proto pokračuje s použitím stále sofistikovanějších simulací.
Co by potvrzení pradávných černých děr změnilo
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappellutiho a Magaraggii, čeká nás série důsledků. Kosmologie získá nástroj pro zkoumání ultraraných epoch, mnohem dřívějších než období, ze kterého pochází reliktní záření. Pradávné černé díry by fungovaly jako sondy pamatující podmínky panující v prvních mikrosekundách existence kosmu.
Teorie formování galaxií by rovněž vyžadovala korekci. Dodatečná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se shlukuje hmota, jak se rozrůstají haló temné hmoty a jak se utvářejí první hvězdy. Pro fyziky částic je to také důležitý signál, že hledání exotických částic může mít menší pole působnosti, pokud lvíčí podíl role hrají černé díry. Možná zjistíš, že celou dobu jsme hledali temnou hmotu v podobě neznámých částic, přitom odpověď ležela v objektech předpovězených už před padesáti lety.
Vědci z observatoře Virgo v Itálii připomínají, že takový objev by měl dopad i na technologie. Lepší pochopení gravitačních vln a raných fází vesmíru může v budoucnu vést k novým aplikacím v měření času, navigaci či dokonce v energetice. Zatím to však zůstává v rovině spekulací, než se objeví další potvrzující data.
