Neobvyklý signál gravitačních vln překvapil vědecký svět
Záhadný signál gravitačních vln přivedl fyziky do rozpaků. Naměřená data poukazují na objekt tak lehký, že nezapadá do žádného dosud známého modelu hvězdného vývoje.
Vědci ze spolupracující sítě LIGO–Virgo–Kagra podrobně prozkoumali záznam srážky dvou kompaktních vesmírných těles označené jako S251112cm. Když sečetli hmotnosti obou účastníků tohoto kosmického střetu, vyšlo najevo, že jeden z nich váží méně než naše Slunce. Z pohledu klasické astrofyziky taková černá díra prakticky nemůže existovat. Právě proto někteří badatelé dnes otevřeně uvažují o tom, zda nevidíme historicky první stopu tzv. prvotní černé díry, která vznikla bezprostředně po Velkém třesku.
Gravitační vlny přinášejí kosmickou hádanku
Celý příběh začíná zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry zaznamenávají nepatrné změny vzdálenosti mezi zrcadly způsobené průchodem gravitačních vln přes Zemi.
Většina podobných signálů pochází ze srážek černých děr o hmotnosti několika desítek Sluncí. Tentokrát ale analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného: jeden ze dvou slučujících se objektů má hmotnost v rozmezí přibližně jedné desetiny až těsně pod jednou sluneční hmotností.
Tak lehká černá díra se nevejde do rámce žádného známého procesu hvězdného vývoje. Je to závažný signál, že stojíme před úplně jiným mechanizmem vzniku.
Vědci samozřejmě nejprve prověřili konvenční vysvětlení. Kdyby signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, muselo by dojít i k elektromagnetickému záblesku – v oblasti gama záření, rentgenového záření nebo aspoň ve viditelném světle. Žádný doprovodný záblesk však nalezen nebyl. Na stole tak zůstal podstatně exotičtější scénář.
Černá díra menší než město
Objekty s hmotností blízkou Slunci, které astronomové znají z katalogů, jsou z velké části velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy je výrazně hmotnější – podle současných modelů musí mít nejméně přibližně tři sluneční hmotnosti.
Pro objekt o hmotnosti kolem 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí výpočty na rozměry srovnatelné s větším českým městem. Průměr takové časoprostorové pasti by byl přibližně 5 kilometrů. To je vzdálenost, kterou v pohodě uběhnete za půl hodiny – a přitom mluvíme o stlačení téměř veškeré hmoty Slunce do takovýchto rozměrů.
Aby mohlo vzniknout něco tak extrémního, jsou zapotřebí podmínky, které žádný dnes známý hvězdný proces nedokáže poskytnout. Astrofyzici zdůrazňují, že klasická fyzika hvězdného vývoje vznik černé díry o tak nízké hmotnosti prostým kolapsem hvězdného jádra neumožňuje.
Otisk prvních mikrosekund po Velkém třesku
Autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, proto upínají pohled mnohem hlouběji do minulosti – do doby, kdy byl vesmír starý méně než miliontinu sekundy. V tomto období se hmota chovala zcela jinak než dnes: dominovala takzvaná kvark-gluonová plazma a hustoty i teploty byly zcela nepředstavitelné.
Již v 70. letech teoretičtí fyzici včetně Stephena Hawkinga předpovídali, že v takovém prostředí mohly místní fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a vytvářet celou populaci miniaturních černých děr. Tyto objekty dostaly název prvotní černé díry.
Tým navrhuje, že zkoumaný objekt mohl vzniknout právě v éře kvantové chromodynamiky, pouhé mikrosekundy po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář správný, byl by signál S251112cm první hmatatelnou nápovědí, že taková tělesa skutečně přežila až do dnešních dnů. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry doslova od svých prvních okamžiků, a to v množstvích, o nichž se dosud hovořilo jen v rovnicích.
Je temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Skládačka se stává ještě zajímavější, když badatelé spojí tohoto kandidáta na prvotní černou díru s problémem takzvané temné hmoty. Již desetiletí je známo, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří jen malou část kosmické hmotnostní bilance. Přibližně 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje výhradně gravitací.
Dosud mnoho skupin hledalo částice zodpovědné za tento chybějící díl, například WIMPy zachytávané v podzemních detektorech. Pátrání ale zatím nepřineslo jednoznačný úspěch, čímž se otevřela cesta alternativním hypotézám.
Pokud prvotní černé díry existují v dostatečném počtu a správném rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část – nebo dokonce veškerou – temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře zapadá. Hmotnostní signatura odpovídá předpovědím některých modelů populace prvotních černých děr. V tomto obrazu by temná hmota nebyla exotická nepolapitelná částice, nýbrž nesčetné černé díry roztroušené po celém vesmíru od jeho nejranějších epoch.
Signál je slibný, ale zatím ne průkazný
Přes nadšení části vědců jiní badatelé vyzývají k opatrnosti. Odhady sice říkají, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, ale interpretace si žádá střízlivý přístup. Stále existují složitější scénáře spojené se systémy více těles v hustých hvězdokupách, které mohou generovat neobvyklé signály.
Tým proto zatím označuje objekt pouze jako „kandidáta" na prvotní černou díru. Aby mohli fyzici přejít od hypotézy k pevnému závěru, potřebují více podobných událostí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK je v tomto ohledu klíčová: detektory dosahují stále vyšší citlivosti a šance na další záznamy rok od roku roste.
Druhý nebo třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit zajímavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy sub-slunečních černých děr, budou fyzici muset přepsat kapitoly učebnic věnované Velkému třesku, rané kosmologii a povaze temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Aby bylo jasné, proč je nynější signál tak významný, warto vědět, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jde o zařízení, v nichž laserový paprsek probíhá dvěma kolmými ramenem a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když gravitační vlna projde detektorem, nepatrně stlačí jednu osu a druhou prodlouží.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, avšak pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „čvirlikání" gravitačních vln badatelé vyčtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů.
- Délka trvání signálu vypovídá o hmotnostech složek páru.
- Amplituda se přepočítává na vzdálenost zdroje.
- Koncová frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu.
- Absence světelného signálu pomáhá vyloučit neutronové hvězdy.
V případě S251112cm se všechny tyto prvky složily do obrazu systému, v němž má jeden z účastníků neobvykle nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil tak velký zájem vědecké komunity.
Co by potvrzení prvotních černých děr změnilo?
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappelluttiho a Magaraggii, čeká nás řada zásadních důsledků. Kosmologie získá nástroj ke zkoumání velmi raných epoch vesmíru, daleko dřívějších než období, z něhož pochází kosmické mikrovlnné záření pozadí. Prvotní černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť podmínek z prvních mikrosekund existence kosmu.
Také teorie formování galaxií by vyžadovala revizi. Další populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak rostou hala temné hmoty a jak se rodí první hvězdy. Pro fyziky částic jde rovněž o důležitý signál: pokud lví podíl temné hmoty tvoří černé díry, prostor pro hledání exotických částic se výrazně zužuje.
Jak si to může představit laik?
Pro lidi mimo vědecké prostředí znějí pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čistá abstrakce. Pomůže jednoduchý obraz: představte si hrnec s vařící polévkou, v níž neustále stoupají a splaskají bublinky. V raném vesmíru byly takovými „bublinkami" zhušteniny hmoty. Většina z nich se rozptýlila s rozpínáním vesmíru, ale některé mohly být natolik husté, že se pod vlastní tíhou zhroutily a vytvořily černé díry.
Po miliardy let by pak taková tělesa kroužila téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich a příležitostně se srážela. Právě při těchto vzácných střetech vznikají gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takový signál tak funguje jako pohlednice odeslaná z prvních okamžiků existence vesmíru.
