Vědecký tým pracující s detektory LIGO, Virgo a Kagra zaznamenal neobvyklé „zachvění“ časoprostoru. Analýza naznačuje, že při kosmické srážce se účastnil objekt lehčí než Slunce, příliš malý na známý typ černé díry.
Celá událost vypráví příběh o objektu, který by podle současných teorií o vývoji hvězd neměl existovat. Stále hlasitěji se hovoří o tom, že by mohlo jít o první stopu takzvané prapůvodní černé díry, která vznikla v samotných okamžicích zrodu vesmíru.
Vědci ze sítě LVK už zaznamenali desítky gravitačních vln. Jedná se o vlnění v časoprostoru vzniklé při srážkách extrémně hmotných objektů, nejčastěji černých děr nebo neutronových hvězd. Pro zkušený mezinárodní tým je registrace takových událostí téměř rutinní záležitostí. Signatura S251112cm však vybočila ze všech dosavadních schémat.
Analýza gravitačních vln odhalila, že jeden ze dvou objektů, které na sebe narazily, měl hmotnost v rozmezí pouhých 0,1 až 0,87 hmotnosti Slunce. Data ukazují s pravděpodobností přesahující 99 procent, že alespoň jeden z objektů měl hmotnost pod jednou solární hmotností. Takový scénář se nevejde do standardních modelů stellární evoluce, které fyzici používají k popisu životního cyklu hvězd.
Signatura S251112cm: signál, který se vzpírá vysvětlení
Vědci zvažovali všechna zřejmá vysvětlení. Neutronová hvězda? Bílý trpaslík? Tyto objekty skutečně bývají lehčí než Slunce. Problém spočívá v tom, že při jejich srážkách detektory obvykle zaznamenávají také doprovodné záblesky elektromagnetického záření.
Teleskopy v rentgenovém, viditelném či gama spektru tentokrát nezachytily absolutně nic. Zaregistrovány byly pouze gravitační vlny, přesně jako při klasické srážce dvou černých děr. Tento vzorec je pro astronomy zásadní indikátor.
Vědci z observatoře LIGO v Hanfordu a Livingstonu společně s kolegy z detektoru Virgo v italské Pise a Kagra v japonské prefektuře Gifu provedli podrobnou analýzu signálu. Všechny tři stanice potvrdily, že nejde o technický šum ani lokální rušení, ale o skutečnou kosmickou událost. Pravděpodobnost falešného poplachu je menší než jedno procento.
Data z interferometrů ukazují charakteristický chirp, tedy postupné zrychlování frekvence vlny těsně před srážkou. Z tvaru této křivky fyzici dokážou odvodit hmotnosti objektů, jejich vzdálenost i přibližnou pozici na obloze. Právě díky této metodě se ukázalo, že jeden z objektů leží výrazně pod teoretickou dolní hranicí hmotnosti hvězdné černé díry.
Proč běžná hvězda nemůže vytvořit tak malou černou díru
Abychom pochopili, proč jde o tak zásadní paradox, musíme si uvědomit, jak vznikají klasické černé díry. Masivní hvězda ukončí život spektakulární katastrofou. Jádro se zhroutí pod vlastní tíhou a vnější vrstvy jsou odvrženy v supernově. Fyzika těchto zhroucení však stanovuje dolní hranici hmotnosti výsledné černé díry.
Teorie stellární evoluce říkají jasně: běžná hvězda nedokáže vytvořit černou díru tak malou, jak naznačuje analýza gravitačních vln ze signálu S251112cm. Pokud by signál skutečně pocházel od miniaturní černé díry, musela by vzniknout zcela odlišným procesem, nezávislým na životním cyklu hvězd.
- Teoretická dolní hranica hmotnosti hvězdné černé díry: přibližně 3 hmotnosti Slunce
- Typický rozsah hmot stellárních černých děr: od několika do desítek hmotností Slunce
- Událost S251112cm: objekt s hmotností menší než 1 hmotnost Slunce
- Hmotnost bílých trpaslíků: obvykle mezi 0,6 až 1,4 hmotnosti Slunce
- Hmotnost neutronových hvězd: většinou mezi 1,4 až 2,0 hmotnosti Slunce
- Černé díry vzniklé ze supernov: minimálně 3 hmotnosti Slunce
Vědci z Kalifornského technologického institutu společně s kolegy z University of Amsterdam provedli simulace různých scénářů kolapsů hvězd. Žádný z nich nedokázal vytvořit černou díru s tak nízkou hmotností, jak ukazují data z LVK. To znamená, že musíme hledat jiný mechanismus vzniku.
Pokud současné modely platí, zbývá jediná cesta: objekt musel vzniknout ne z hvězdy, ale přímo z fluktuací hustoty v raném vesmíru. Tento scénář otevírá dveře k fascínující možnosti existence prapůvodních černých děr.
Prapůvodní černé díry: exotický nápad Stephena Hawkinga
Tady vstupují na scénu takzvané primordální černé díry, o kterých teoretizoval mimo jiné Stephen Hawking už v sedmdesátých letech minulého století. Na rozdíl od klasických černých děr nevznikají z hvězd. Jejich původ sahá do zlomků sekund po Velkém třesku.
V ultramladém vesmíru panovaly extrémní podmínky. Nepředstavitelné teploty, hustoty a prudké fluktuace v rozložení hmoty. V některých oblastech se mohla hmota nashromáždit tak hustě, že lokální gravitační „kopec“ se zhroutil bez účasti hvězdy a okamžitě vytvořil černou díru.
Scénář navrhovaný výzkumníky předpokládá vznik objektu během fáze spojené s kvantovou chromodynamikou, pouhých několik mikrosekund po počátku vesmíru. Šlo o epochu, kdy běžné hvězdy ještě ani neexistovaly, ale hmota procházela dramatickými fázovými přeměnami.
Pokud je interpretace správná, síť LVK možná poprvé zaznamenala signál pocházející ze srážky právě takové prastaré černé díry s jiným objektem. To ukazuje, že gravitační vlny se stávají nástrojem nejen ke studiu exotických hvězd, ale i nejranějších okamžiků existence vesmíru. Vědci z Max Planck Institute v Postupimi a CERN v Ženevě už začali připravovat podrobnější analýzy.
Miniaturní černá díra velikosti města
Co vlastně znamená černá díra s hmotností 0,87 hmotnosti Slunce? Číslo nevypadá dramaticky nízko, dokud se nepodíváme na její rozměr. Takový objekt by byl extrémně kompaktní, jeho průměr by činil přibližně 5 kilometrů.
Jde o něco s hmotností srovnatelnou se Sluncem, nacpané do oblasti zhruba velikosti středně velkého města. Tak krajní hustoty se zdají možné pouze v dobách těsně po Velkém třesku, kdy hmota procházela bouřlivými fázovými přeměnami. Pro srovnání: naše Slunce má průměr asi 1,4 milionu kilometrů.
Představte si, že veškerou hmotu Slunce stlačíte do koule menší než Praha. Takový objekt by vytvořil tak silné gravitační pole, že by z něj neuniklo ani světlo. Černohorský průměr takové černé díry by byl opravdu jen těch pět kilometrů, ale její gravitační vliv by byl obrovský.
Fyzici z Princeton University vypočítali, že hustota takového objektu by dosahovala hodnot srovnatelných s hustotou atomového jádra, ale rozloženou do mnohem většího objemu. To jsou podmínky, které v dnešním vesmíru prostě nenajdete, ledaže se díváte do středu neutronové hvězdy nebo právě do černé díry.
Temná hmota: je záhadná masa vlastně sprškou miniděr
Pokud se interpretace signálu S251112cm jako stopy primordální černé díry potvrdí, důsledky daleko přesáhnou pouhou klasifikaci exotického objektu. Do hry vstupuje otázka o povaze temné hmoty.
Astronomové už desítky let vědí, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří pouze malou část kosmické skládačky. Na chování galaxií, kup galaxií a velkých kosmických struktur působí dodatečná masa, kterou nelze vidět v žádném rozsahu záření. Nazvali ji temnou hmotou.
Po celé dekády se hledaly hypotetické nové částice. Od slavných WIMP přes exotické lehké bosony až po axiony. Kolejné experimenty v podzemních detektorech částic v laboratořích Gran Sasso v Itálii nebo Soudan v Minnesotě však končily mlčením. V tomto kontextu začaly miniaturní černé díry vyznívat stále hlasitěji jako alternativa.
Analýza naznačuje, že při odpovídajícím počtu a rozložení hmotností by primordální černé díry mohly vysvětlit značnou část, potenciálně celou temnou hmotu, bez zavedení zcela nových elementárních částic. V tomto scénáři by byl vesmír plný maličkých černých děr rozptýlených nenápadně v halech galaxií a v mezikulovém prostoru.
Výzkumníci z University of California v Berkeley a Kavli Institute for Cosmological Physics v Chicagu vytvořili počítačové modely distribuce primordálních černých děr. Simulace ukazují, že při správné hustotě a hmotnostním rozdělení by tyto objekty mohly perfektně replikovat gravitační efekty přisuzované temné hmotě.
Na denní bázi by byly prakticky neviditelné, ale jejich společný gravitační vliv by vysvětloval chování galaxií pozorované astronomy. Změnilo by to naše chápání struktury vesmíru a možná i směr budoucího výzkumu v částicové fyzice.
Vědci tlumí nadšení: zatím jen silný kandidát
Přes výrazné vzrušení v komunitě si badatelé udržují odstup. Analýza publikovaná na serveru arXiv a přihlášená do prestižního časopisu The Astrophysical Journal Letters teprve prochází procesem recenzního řízení. Vědci mluví přímo o „kandidátovi“ na primordální černou díru.
Ještě je třeba prověřit, zda se signál nedá vysvětlit jinak, například jako efekt složitých interakcí v mimořádně hustých hvězdokupách. V takových prostředích mohou obíhající objekty vytvářet vícenásobné systémy, ve kterých dochází k sériím srážek a záchytů generujících komplikované gravitační vlny.
Vědci z Massachusetts Institute of Technology v Cambridge a European Southern Observatory v Garchingu zatím všechno nasvědčuje tomu, že interpretace primordální černé díry je nejjednodušší a nejlépe v souladu s daty. Fyzici však potřebují ještě jeden klíčový prvek: opakování.
Pokud během probíhající kampaně detektory LVK zaznamenají druhý, podobný signál s objektem pod hmotností Slunce, hypotéza prapůvodních černých děr získá úplně jinou váhu. Z teoretické kuriozity by se změnila v novou kategorii reálných kosmických objektů s důsledky pro celou kosmologii.
Jak fungují detektory LIGO, Virgo a Kagra „naslouchající“ časoprostoru
Gravitační vlny jsou mikroskopické vlnění v samotné struktuře časoprostoru. Aby je vědci zaznamenali, postavili gigantické 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 prochází Zemí, jemně zkrátí jedno rameno interferometru a prodlouží druhé. Změna je menší než průměr protonu, ale citlivá aparatura ji dokáže zachytit.
- LIGO Hanford ve státě Washington: ramena dlouhá 4 kilometry
- LIGO Livingston v Louisianě: identická konfigurace jako Hanford
- Virgo u Pisy v Itálii: ramena dlouhá 3 kilometry, zvyšuje přesnost lokalizace zdrojů
- Kagra v prefektuře Gifu v Japonii: podzemní detektor chlazený na velmi nízké teploty
- Laserové systémy: výkon až 200 wattů pro maximální citlivost
- Zrcadla: hmotnost až 40 kilogramů z křemenného skla s ultračistým povrchem
- Vakuové tunely: tlak nižší než na povrchu Měsíce pro eliminaci rušení
- Seismická izolace: vícevrstvé závěsné systémy tlumí chvění až o šest řádů
Díky spolupráci těchto tří nástrojů vědci nejen měří tvar vln, ale také rekonstruují parametry objektů, které je vyvolaly: hmotnost, vzdálenost a dokonce i rotaci. Právě tato metoda umožnila zjistit, že v události S251112cm se účastnil objekt pod hmotností Slunce.
Když obrovské masy jako černé díry krouží kolem sebe a srazí se, „míchají“ časoprostor tak intenzivně, že efekt této bouře dorazí miliardy světelných let daleko. LIGO a ostatní detektory nezaznamenávají obraz objektu, pouze přesný záznam toho, jak se mění délka ramen interferometru.
Na základě této křivky počítač přizpůsobí nejlepší model srážky a vytáhne z něj informace o hmotnostech a typu účastnících se objektů. Proces vyžaduje superpočítače v National Center for Supercomputing Applications v Urbana-Champaign a další výpočetní centra po celém světě.
Co dál: hon na další miniděry a důsledky pro fyziku
Pokud interpretace primordální černé díry vydrží kritiku, v nejbližších letech lze očekávat ofenzívu nových studií. 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 prapůvodních černých děr novým omezením. Jak často mohly vznikat? Jakou typickou hmotnost přijímají? Může jejich populace skutečně vysvětlit temnou hmotu? To znamená korekci scénářů evoluce mladého vesmíru, včetně fází spojených s velmi raným přeměnami hmoty.
Pro laiky celé téma zní abstraktně, ale má překvapivě konkrétní důsledky. Kdyby se temná hmota ukázala být prostě mračnem miniaturních černých děr, změnilo by to způsob plánování budoucích kosmických misí. Ovlivnilo by to prognózy signálů v neutrinových detektorech IceCube na jižním pólu nebo v projektu KM3NeT ve Středozemním moři.
Část plánovaných nákladných instalací by mohla ztratit smysl a na jejich místo by se objevily nové nápady více zaměřené na astronomii gravitačních vln. Evropská kosmická agentura ESA už nyní připravuje misi LISA, vesmírný interferometr, který by měl být citlivější než pozemské detektory.
Pro sledující této oblasti stojí za upřesnění několik pojmů. Temná hmota „nevysává“ energii z hvězd ani nepředstavuje přímé ohrožení pro Zemi. Její působení se omezuje prakticky výhradně na gravitaci. Pokud ji tvoří miniaturní černé díry, jejich hustota v našem okolí zůstává natolik malá, že šance na blízké setkání s jednou z nich je zanedbatelná v měřítku celé historie lidstva.
Každý další zaznamenaný signál s účastí tak malých černých děr dává šanci testovat teorii gravitace v extrémním režimu. To může ukázat, kde hledat novou fyziku přesahující obecnou teorii relativity a standardní model částic. V praxi právě z takových zdánlivě hermetických výzkumů často vznikají technologie, které po letech proniknou do každodenního života. Od satelitní navigace GPS po pokročilé metody lékařského zobrazování pomocí magnetické rezonance – všechny mají kořeny v základním výzkumu, který původně vypadal jako čistá teorie bez praktického využití.
