Signál, který přepisuje učebnice astrofyziky
Američtí astrofyzici zachytili mimořádný gravitační signál, který by mohl pocházet z černé díry vzniklé doslova okamžik po Velkém třesku. Jde o objev, který by mohl otřást tím, co si věda myslí o původu vesmíru.
Předběžné analýzy naznačují, že zkoumaný objekt má hmotnost nižší, než je hmotnost Slunce – a to je přesně to, co do dosavadních vědeckých škatulek nezapadá. Pokud se tato interpretace potvrdí, půjde o vůbec první doložený důkaz existence takzvané prvotní černé díry – relikt z první sekundy existence vesmíru.
Černá díra, která nepotřebovala žádnou hvězdu
Klasický scénář vzniku černé díry je v učebnicích popsán jasně. Masivní hvězda se na konci svého života zhroutí pod vlastní tíhou, exploduje jako supernova a její jádro se promění v černou díru. Proto mívají tyto objekty hmotnost výrazně převyšující hmotnost Slunce.
Nový signál ale hraje podle jiných pravidel. Objekt, který se srazil s dalším tělesem a vyvolal zaznamenané gravitační vlny, má hmotnost zřetelně nižší než solární. Teoreticky by vůbec neměl existovat – ledaže nevznikl z hvězdy, ale úplně jiným způsobem.
Možným vysvětlením je prvotní černá díra, která se zrodila za extrémních podmínek těsně po Velkém třesku – ještě předtím, než se vůbec zformovaly první hvězdy.
Takové objekty jsou kosmickými „zkamenělinami" z první sekundy existence vesmíru. Podle teorie mohly vyrůst z velmi hustých shluků subatomární hmoty, jež vznikly v rozpínajícím se, žhavém prostoru. Nepotřebovaly žádnou hvězdu ani supernovu – stačila jim čistá, extrémní hustota.
Proč je hmotnost v tomto případě rozhodující
Běžné černé díry, které astronomové pozorují, spadají přibližně do dvou hmotnostních kategorií:
- několik až desítky hmotností Slunce – pozůstatky po masivních hvězdách,
- miliony až miliardy hmotností Slunce – obři skrývající se v centrech galaxií.
Objekt naznačený novým signálem leží výrazně pod spodní hranicí první kategorie. Klasický hvězdný scénář tak prakticky odpadá a na scénu vstupuje koncept prvotních černých děr.
Astrofyzici porovnali předpokládanou četnost výskytu těchto objektů se skutečnými daty z detektoru LIGO, sbíranými od roku 2015. Vzácnost tohoto signálu dobře odpovídá teoretickým modelům prvotních černých děr – jinými slovy, objevuje se přesně tak sporadicky, jak by se měl, pokud tyto objekty skutečně existují.
LIGO „naslouchá" vesmíru prostřednictvím gravitačních vln
Za celým příběhem stojí LIGO – americká observatoř gravitačních vln, která měří mikroskopické chvění prostoru vznikající při srážkách extrémně hmotných objektů. V roce 2015 LIGO poprvé zachytilo signál ze srážky černých děr, což přineslo revoluci v astronomii hodnou Nobelovy ceny.
Nyní tentýž přístroj zachycuje něco mnohem subtilnějšího. Signál označený jako S251112cm se vyznačuje hmotností objektu, kterou nelze snadno zařadit do žádné ze známých kategorií. Dva vědci z Univerzity v Miami, Alberto Magaraggia a Nico Cappelluti, analyzovali data a označují prvotní černou díru za nejsouvislejší vysvětlení.
LIGO prokázalo, že dokáže nejen zaznamenávat spektakulární srážky masivních černých děr, ale také stopovat mnohem lehčí a exotičtější objekty skryté v šumu dat.
Jedna srážka věc samozřejmě nerozhoduje. Takový signál může mít alternativní výklady a astrofyzici jsou proslulí svou opatrností. Vědci proto otevřeně přiznávají, že k pevnému potvrzení jsou potřeba desítky podobných událostí. Přesto samotný fakt, že přístroje vůbec dosahují takové citlivosti, otvírá zcela novou oblast výzkumu.
Jsou prvotní černé díry skrytou hmotou vesmíru?
Tím ale příběh nekončí. Pokud signál skutečně pochází od prvotní černé díry, dostáváme se k problému, se kterým se fyzici potýkají celé dekády – k takzvané temné hmotě.
Z pozorování pohybů hvězd a galaxií vyplývá, že ve vesmíru chybí obrovské množství hmoty. Vše, co vidíme – hvězdy, planety, plyn, prach – tvoří pouhých přibližně 15 procent toho, co je nutné k vysvětlení gravitačního chování vesmíru. Zbytek tvoří neviditelná hmota, která nesvítí ani neodrází světlo, ale gravitačně přitahuje.
Jedna z hypotéz říká, že podstatnou část této chybějící hmoty by mohly tvořit právě prvotní černé díry, roztroušené v prostoru jako mikroskopické, neviditelné „závaží".
Pokud LIGO skutečně začalo takové objekty registrovat, nejde jen o zajímavost. Vědci získávají nástroj k jejich počítání a odhadování jejich celkové hmotnosti. Každá další zaznamenaná událost pomůže odpovědět na otázku, zda jsou prvotní černé díry slučitelné s pozorováními galaxií, hvězdokup či kosmického mikrovlnného záření pozadí.
Co přinese LISA a příští generace detektorů
LIGO není jediným přístrojem na obzoru. Evropská kosmická agentura rozvíjí projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – kosmický detektor gravitačních vln. Tři satelity mají tvořit obří trojúhelníkový interferometr obíhající kolem Slunce. Start je naplánován na polovinu třicátých let.
| Přístroj | Umístění | Oblast působnosti |
|---|---|---|
| LIGO | Země (USA) | srážky černých děr a neutronových hvězd o hvězdných hmotnostech |
| LISA | Orbitující soustava satelitů | nižší frekvence vln, hmotnější a vzdálenější soustavy |
LISA bude citlivá na jiný rozsah frekvencí než LIGO, což znamená, že zachytí zcela nové typy zdrojů. Pro prvotní černé díry by to mohl být průlom – některé z nich, zejména ty v párech, mohou generovat vlny přesně odpovídající citlivosti kosmického interferometru.
Jak si představit tak malou černou díru
Černá díra lehčí než Slunce zní trochu abstraktně, takže stojí za to ji zasadit do něčeho hmatatelného. Kdyby existovala prvotní černá díra o hmotnosti většího asteroidu, měla by rozměr přibližně fotbalového míče, možná i menší. A přesto by její gravitace překonávala přitažlivost celé hory a poblíž horizontu událostí by neunikl ani paprsek světla.
Takové objekty jsou klasickými teleskopy prakticky neodhalitelné. Nesvítí, neodrážejí světlo – občas se prozradí jen tím, že zakřivují dráhu paprsků procházejících v jejich blízkosti, nebo – jako v tomto případě – vyzářením gravitačních vln při srážce s jinou hmotou.
Co mění jedna neobvyklá událost
Přestože signál S251112cm ještě vyžaduje potvrzení, již nyní ovlivňuje to, jak vědci plánují budoucí výzkum. Začíná se prohledávání archivních dat s cílem najít podobné, dříve přehlédnuté události. Teoretické týmy zpřesňují modely předpovídající, jak přesně by měly vypadat srážky prvotních černých děr různých hmotností.
Pro nás, běžné pozorovatele, celý příběh ukazuje, jak rychle se astronomie mění. Ještě před deseti lety byly gravitační vlny pouhým konceptem z Einsteinových rovnic. Dnes se stávají nástrojem ke zkoumání nejnedostupnějších etap v dějinách vesmíru – těch, které žádný optický ani radiový teleskop nikdy neodhalí.
Pokud příští roky přinesou více podobných signálů, pojmy jako „prvotní černá díra" nebo „temná hmota" mohou přestat znít jako čistá teorie. Postupně se stanou součástí konkrétních katalogů objektů s popsanými hmotnostmi, četností srážek a vlivem na vývoj galaxií. A tehdy otázky o počátcích všeho, co nás obklopuje, začnou mít mnohem přesnější a číselnější odpověď.
