Gravitační vlny zachytily srážku objektu lehčího než Slunce. Takto malá černá díra nemůže vzniknout kolapsem hvězdy, což vědce vede k překvapivému vysvětlení: možná vznikla jen mikrosekundy po Velkém třesku.
Když vědci z kolaborace LIGO–Virgo–Kagra analyzovali signál označený S251112cm, narazili na záhadu. Jeden z objektů vážil méně než Slunce, což pro klasickou astrofyziku nedává smysl. Takto lehká černá díra podle známých modelů hvězdného vývoje nemůže existovat. Proto dnes část badatelů hovoří o prvním možném důkazu praprvobytnné černé díry, která vznikla krátce po Velkém třesku.
Tato událost může přepsat kapitoly v učebnicích kosmologie. Pokud se interpretace potvrdí, získáváme sondu do nejranějších epoch vesmíru, které byly dosud nedostupné přímému pozorování. Odborníci z italských univerzit Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia publikovali analýzu naznačující, že pozorovaný objekt vznikl v éře kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Gravitační astronomie otevřela nové okno do vesmíru teprve před několika lety. Dnes ti detektory zachycují desítky srážek ročně a každý nový signál může přinést překvapení podobné události S251112cm. Pro tebe to znamená, že žiješ v době, kdy se základní otázky o původu vesmíru přesouvají z roviny spekulací do oblasti měřitelných dat.
Co odhalil neobvyklý signál gravitačních vln?
Vše začíná standardní detekcí gravitačních vln sítí observatoří LIGO, Virgo a japonského detektoru Kagra. Tyto obří interferometry měří mikroskopické změny vzdálenosti mezi zrcadly vyvolané průchodem gravitačních vln Zemí. Většina takových signálů pochází ze srážek černých děr o hmotnosti desítek slunečních hmot.
Tentokrát však analýza události S251112cm ukázala něco výjimečného. Jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost v rozmezí přibližně od jedné desetiny do necelé jedné sluneční hmotnosti. Takto lehký objekt se nevešel do rámce známých procesů hvězdné evoluce.
Výzkumníci okamžitě prověřili tradiční vysvětlení. Kdyby signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, museli bychom zaregistrovat i světelnou stopu – v gama záření, rentgenových paprscích nebo alespoň v optickém oboru. Hledání doprovodného záblesku nepřineslo žádný výsledek. Ve hře proto zůstal podstatně exotičtější scénář.
Badatelé z kolaborace zdůrazňují, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent. Tento statistický údaj dává hypotéze o praprvobytnné černé díře solidní základ, i když ještě ne definitivní potvrzení.
Jak může černá díra vážit méně než Slunce?
Objekty o hmotnosti blízké Slunci, které známe z astronomických katalogů, jsou většinou velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vzniklá kolapsem masivní hvězdy je mnohem těžší – podle současných modelů musí mít minimálně kolem tří slunečních hmot. Pro objekt o hmotnosti řádově 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí rozměry srovnatelné s většími českou městem.
Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně pět kilometrů. To je vzdálenost, kterou klidně přeběhneš za půl hodiny – a mluvíme tu o zabalení téměř celé hmotnosti Slunce do tohoto měřítka. Aby vzniklo něco tak extrémního, potřebujete podmínky, které nezajistí žádný známý proces probíhající uvnitř hvězd.
Astrofyzikové podtrhují, že fyzika klasické hvězdné evoluce neumožňuje vytvoření černé díry s takto nízkou hmotností prostým kolapsem hvězdného jádra. Hvězdy s příliš malou hmotností končí jako bílí trpaslíci, zatímco masivnější vytvářejí neutronové hvězdy nebo černé díry nad třemi slunečními hmotami. Objekt jako S251112cm do této posloupnosti nezapadá.
Doktorka Lisa Barsotti z MIT, členka týmu LIGO, poznamenává, že detektory dosahují citlivosti umožňující zachytit změny kratší než tisícina průměru protonu. Právě tato technická vyspělost interferometrů v observatořích LIGO v Hanfordu a Livingstonu a detektoru Virgo u Pisy otevírá cestu k objevům objektů mimo běžné katalogy.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Proto autoři nové analýzy Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia obracejí pohled mnohem dále do minulosti, do doby, kdy vesmír byl starý méně než milioninu sekundy. V tomto období se hmota chová jinak než dnes: dominuje takzvané kvarko–gluonové plazma a hustoty s teplotami jsou nepředstavitelné.
Již v sedmdesátých letech teoretičtí fyzikové včetně Stephena Hawkinga předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a vytvářet celé populace miniaturních černých děr. Získaly název praprvobytnné černé díry. Tým navrhuje, 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 představoval první hmatatelný důkaz, že taková tělesa skutečně přežila do dnešních časů. Znamenalo by to, že vesmír už ve svých prvních okamžicích začal produkovat černé díry v množství, o kterém se dosud mluvilo jen v rovnicích. Profesor Bernard Carr z Queen Mary University of London patří mezi průkopníky hypotézy praprvobytnných černých děr a podle něj by tento objev potvrdil desetiletí teoretické práce.
Vědci dnes využívají data ze čtyř pozorovacích běhů detektorů. Každý rok se citlivost zvyšuje a s ней roste šance na zachycení dalších podobných událostí. Pro kosmology by série potvrzených sub-slunečních černých děr otevřela okno do období vesmíru, které předchází éře rekombinace a vzniku reliktního záření.
Může být temná hmota mořem praprvobytnných černých děr?
Významná skládanka se stává ještě zajímavější, když badatelé propojí tohoto kandidáta na praprvobytnnou černou díru s problémem temné hmoty. Po desítky let víme, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří pouze nepatrnou část kosmické hmotnostní bilance. Asi 85 procent představuje neviditelná složka, která se projevuje pouze gravitací.
Dosud mnoho skupin hledalo částice zodpovědné za tuto chybějící složku, jako například WIMP detekované v podzemních laboratořích. Hledání zatím nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo cestu alternativním nápadům. Pokud praprvobytnné černé díry existují v odpovídajícím počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část, možná dokonce celou temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt zapadá do takového scénáře. Hmotnostní signatura souhlasí s předpověďmi některých modelů populace praprvobytnných černých děr. V této vizi není temná hmota exotickými částicemi, které neumíme namířit, nýbrž nesčetnými černými děrami roztroušenými po celém vesmíru od nejranějších epoch.
Výzkumný tým z Milánu a Říma využil simulace formování struktur ve vesmíru. Výsledky ukazují, že populace sub-slunečních černých děr by mohla vysvětlit pozorované rozložení hmoty v galaxiích bez nutnosti zavádět nové fundamentální částice. Doktor Juan García-Bellido z autonomní univerzity Madrid publikoval studii, ve které modeluje podíl praprvobytnných černých děr různých hmotností na celkové temné hmotě.
- Pravděpodobnost hmotnosti pod jednu sluneční hmotnost přesahuje 99 procent
- Průměr takové černé díry činí přibližně pět kilometrů
- Objekt nevydal žádnou světelnou stopu při srážce
- Neutronové hvězdy i bílí trpaslíci by zanechali elektromagnetický signál
- Detektory LIGO a Virgo měří změny menší než tisícina průměru protonu
- Kvarko-gluonové plazma dominovalo vesmíru v prvních mikrosekundách
- Stephen Hawking předpověděl praprvobytnné černé díry už v roce 1974
- Temná hmota tvoří asi 85 procent hmoty vesmíru
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Abys lépe pochopil váhu současného signálu, je dobré vědět, co vlastně měří LIGO nebo Virgo. Jsou to instalace, ve kterých paprsek laseru běží ve dvou kolmých ramenech a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když gravitační vlna projde detektorem, minimálně stlačí jednu osu a druhou natáhne.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, ale pokročilá interferometrická technika umožňuje ji zachytit. Z tvaru zaznamenaného „cvrlikání“ gravitačních vln badatelé vyčtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů. V případě S251112cm se všechny tyto prvky složily do obrazu systému, kde jeden z účastníků má neobvykle nízkou hmotnost.
Doba trvání signálu informuje o hmotnostech členů páru, amplituda se překládá do vzdálenosti zdroje, konečná frekvence dovoluje odhadnout hmotnost vzniklého objektu a absence světelného signálu pomáhá vyloučit neutronové hvězdy. Právě tento detail vzbudil tak velký zájem mezi astrofyziky.
Vědci z laboratoře LIGO v Hanfordu ve státě Washington a jejich kolegové z observatoře Virgo u Pisy koordinují analýzu dat ze čtyř dosavadních pozorovacích běhů. Japonský detektor Kagra u města Hida se připojil v posledním běhu a zvyšuje přesnost lokalizace zdrojů na obloze.
Co by změnilo potvrzení praprvobytnných černých děr?
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappellutiho a Magaraggii, čeká nás série důsledků. Kosmologie získá nástroj ke studiu ultaraných epoch, podstatně dřívějších než období, z něhož pochází reliktní záření. Praprvobytnné černé díry by působily jako sondy pamatující podmínky panující v prvních mikrosekundách existence vesmíru.
Teorie formování galaxií by také vyžadovala korekci. Dodatečná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se shromažďuje hmota, jak se rozrůstají hala temné hmoty a jak se tvarují první hvězdy. Pro fyziky částic je to také důležitý signál, že hledání exotických částic může mít menší prostor, pokud lvičí podíl role hrají černé díry.
Druha nebo třetí signál s porovnatelnými parametry by mohl proměnit intrigující hypotézu v novou kapitolu kosmologie. Profesor Tomasz Bulik z varšavské univerzity poznamenává, že statistická významnost jednoho případu je zajímavá, ale série podobných detekcí by znamenala revoluci v našem chápání raného vesmíru.
Pro tebe jako laika si to můžeš představit takto: vyobraz si hrnec s vařící polévkou, ve které se neustále vznášejí a klesají bubliny. Ve velmi raném vesmíru byly takových „bubliny“ zahuštěními hmoty. Většina z nich se rozplynula, když se vesmír rozpínal, ale některé mohly být tak husté, že samy pod sebou kolabovaly a vytvářely černé díry. Během dalších miliard let takové objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich, občas se srážejí. Právě při takových vzácných srážkách vyzařují gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory.
