Vědci z detektorů LIGO, Virgo a Kagra zaznamenali neobvyklý signál gravitačních vln. Analýza naznačuje, že se kosmické srážky účastnil objekt lehčí než Slunce, příliš malý na známý typ černé díry.
Celá událost začíná registrací signálu označeného jako S251112cm. Jde o další v katalogu gravitačních vln, tedy zvlnění časoprostoru vzniklých při srážce extrémně hmotných objektů, nejčastěji černých děr nebo neutronových hvězd.
Pro tým sítě LVK (LIGO-Virgo-Kagra) je to téměř každodenní záležitost. Tentokrát však něco evidentně nesedí. Jeden ze dvou objektů, které na sebe narazily, měl hmotnost pouze v rozmezí od 0,1 do 0,87 hmotnosti Slunce.
Data ukazují s pravděpodobností přesahující 99 procent, že alespoň jeden z objektů měl hmotnost nižší než Slunce. Takový scénář se nevejde do standardních modelů vývoje hvězd. Výzkumníci zvažovali zřejmá vysvětlení. Neutronová hvězda? Bílý trpaslík? Tyto objekty skutečně bývají lehčí než Slunce. Problém spočívá v tom, že při jejich srážkách detektory obvykle registrují i doprovázející záblesky elektromagnetického záření: gama záblesky, dlouhotrvající záři ve viditelném nebo rentgenovém světle.
Tentokrát teleskopy nezaznamenaly nic. Registrovaly se pouze gravitační vlny, přesně jako při klasické srážce dvou černých děr. Pokud se interpretace potvrdí, může jít o první stopu po takzvané primordiální černé díře, vzniklé v samotném úsvitu vesmíru.
Proč běžná hvězda nemůže vytvořit tak malou černou díru
Aby vznikla typická černá díra, musí masivní hvězda ukončit život spektakulární katastrofou. Jádro se zhroutí pod vlastní tíhou a vnější vrstvy jsou vyvrženy v supernově. Problém je v tom, že fyzika takových kolapsů stanovuje dolní hranici hmotnosti černé díry.
Teoretická dolní hranice hmotnosti černé díry pocházející z hvězdy činí přibližně tři hmotnosti Slunce. Typický rozsah hmotností hvězdných černých děr se pohybuje od několika do několika desítek hmotností Slunce. Událost S251112cm naznačuje objekt s hmotností menší než jedna hmotnost Slunce.
Současné modely vývoje hvězd říkají jasně: běžná hvězda nedokáže vytvořit černou díru tak malou, jak naznačuje analýza gravitačních vln. Pokud signál skutečně pochází od miniaturní černé díry, musela by se zrodit zcela jiným procesem. Tady vstupují na scénu takzvané primordiální černé díry, teoretizované po desetiletí mimo jiné Stephenem Hawkingem.
Pradávné černé díry se rodí ve zlomcích sekund po Velkém třesku
Na rozdíl od klasických černých děr nevznikají primordiální černé díry z hvězd. Jejich původ sahá do zlomků sekund po Velkém třesku. V ultramlajším vesmíru panovaly extrémní podmínky: nepředstavitelné teploty, hustoty a prudké fluktuace rozložení hmoty.
V určitých oblastech se hmota mohla nahromadit tak hustě, že lokální gravitační kopec kolaboval 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. V epoše, kdy běžné hvězdy ještě ani neexistovaly.
Pokud je interpretace správná, LVK mohlo poprvé zaregistrovat signál pocházející ze srážky právě takové pradávné černé díry s jiným objektem. To ukazuje, že gravitační vlny se stávají nástrojem nejen ke studiu exotických hvězd, ale také nejranějších okamžiků existence vesmíru. Co vlastně znamená černá díra o hmotnosti 0,87 hmotnosti Slunce?
Číslo nevypadá dramaticky malé, dokud se nepodíváme na její rozměr. Takový objekt by byl extrémně kompaktní. Jeho průměr by činil přibližně pět kilometrů. Jde o něco s hmotností srovnatelnou se Sluncem, nacpané do oblasti zhruba velikosti středně velkého města. Tak extrémní podmínky hustoty se zdají možné pouze v dobách těsně po Velkém třesku, kdy hmota procházela prudkými fázovými přeměnami.
Může temná hmota být mrak miniaturních černých děr
Pokud se interpretace signálu S251112cm jako stopy primordiální černé díry udrží, důsledky sahají daleko za pouhou klasifikaci exotického objektu. Do hry vstupuje otázka povahy temné hmoty. Astronomové už léta vědí, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – je jen malou částí kosmické skládačky.
Na chování galaxií, kup galaxií a velkých kosmických struktur působí dodatečná hmota, kterou nelze vidět v žádném rozsahu záření. Nazvali ji temnou hmotou. Po celá desetiletí se hledaly hypotetické nové částice, od slavných WIMP po exotické lehké bozony. Další experimenty v podzemních detektorech částic však končily mlčením.
V tomto kontextu začaly miničerné díry znít stále přesvědčivěji jako alternativa. Analýza naznačuje, že při odpovídajícím počtu a rozložení hmotností by primordiální černé díry mohly vysvětlit značnou část, potenciálně celou temnou hmotu, bez zavádění zcela nových elementárních částic. V tomto scénáři by byl vesmír plný maličkých černých děr, rozptýlených diskrétně v halech galaxií a mezigalaktickém prostoru.
Na každý den by byly prakticky neviditelné, ale jejich celkový gravitační vliv by vysvětloval chování galaxií pozorované astronomy. Tady je několik klíčových faktů:
- LIGO v Spojených státech, dva detektory, které jako první zaregistrovaly gravitační vlny v roce 2015
- Virgo, evropský interferometr zvyšující přesnost lokalizace zdrojů na obloze
- Kagra, japonský detektor chlazený na velmi nízké teploty, postavený v tunelu pod horou
- Teoretická dolní hranice hmotnosti černé díry ze hvězdy činí tři hmotnosti Slunce
- Průměr černé díry o hmotnosti 0,87 Slunce by byl přibližně pět kilometrů
- Data ukazují s pravděpodobností nad 99 procent, že objekt měl hmotnost pod Sluncem
- Stephen Hawking teoretizoval primordiální černé díry po celá desetiletí
Vědci zůstávají opatrní a čekají na další podobný signál
Navzdory zjevnému vzrušení v komunitě si výzkumníci udržují odstup. Analýza publikovaná na serveru arXiv a předložená prestižnímu časopisu teprve prochází recenzním řízením. Vědci otevřeně mluví o kandidátovi na primordiální černou díru.
Je třeba ještě ověřit, zda se signál nedá vysvětlit jinak, například jako efekt složitých interakcí v mimořádně hustých hvězdokupách. V takových prostředích mohou obíhající objekty tvořit vícenásobné systémy, ve kterých dochází k sériím srážek a záchytů generujících komplikované gravitační vlny. Prozatím vše naznačuje, že interpretace primordiální černé díry je nejjednodušší a nejlépe souhlasí s daty.
Fyzici však potřebují ještě jeden klíčový prvek: opakování. Pokud během probíhající kampaně detektory LVK zaregistrují druhý, podobný signál s objektem pod hmotností Slunce, hypotéza primordiálních černých děr získá zcela jinou váhu. Z teoretické kuriozity se změní v novou kategorii reálných kosmických objektů.
Jak vlastně fungují detektory naslouchající časoprostoru
Gravitační vlny jsou mikroskopická zvlnění v samotné struktuře časoprostoru. Aby je zaznamenali, vědci 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 tvoří dnes 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. Díky spolupráci těchto tří přístrojů vědci nejen měří tvar vln, ale také rekonstruují parametry objektů, které je vyvolaly: hmotnost, vzdálenost a dokonce rotaci.
Práve tato metoda umožnila konstatovat, že v události S251112cm se účastnil objekt pod hmotností Slunce. Ve velkém zjednodušení lze gravitační vlnu přirovnat k vlně na vodě, šířící se však ne ve vodě, ale v samotné struktuře prostoru. Když obrovské hmoty, jako černé díry, krouží kolem sebe a srazí se, míchají časoprostor tak intenzivně, že efekt této bouře dorazí o miliardy světelných let dál.
LIGO a ostatní detektory neregistrují obraz objektu, pouze přesný záznam toho, jak se mění délka ramen interferometru. Na základě této křivky počítač přizpůsobuje nejlepší model srážky a vyhodnocuje z něj informace o hmotnostech a typech zúčastněných objektů.
Co přinesou další roky výzkumu miniaturních černých děr
Pokud interpretace primordiální černé díry vydrží kritiku, v nadcházejících letech lze očekávat ofenzivu nových studií. Astronomové budou prohledávat archivy dat z předchozích kampaní LVK, aby našli další přehlédnuté signály s objekty pod hmotností Slunce. Současně začnou teoretici přizpůsobovat modely vzniku primordiálních černých děr novým omezením.
Jak často mohly vznikat, jakou typickou hmotnost přijímají a zda jejich populace skutečně může vysvětlit temnou hmotu. To znamená korekci scénářů evoluce mladého vesmíru, včetně fází spojených s velmi rannými přeměnami hmoty. Pro laiky celé téma zní abstraktně, má ale překvapivě konkrétní důsledky.
Kdyby se temná hmota ukázala být prostě mrakem miničerných děr, změnilo by to způsob, jakým se plánují budoucí kosmické mise, prognozují signály v detektorech neutrin či projektují experimenty s elementárními částicemi. Část plánovaných nákladných zařízení by mohla ztratit smysl a na jejich místo by se objevily nové nápady více zaměřené na astronomii gravitačních vln. Měli bychom upřesnit několik pojmů.
Temná hmota nevysává energii z hvězd ani nepředstavuje přímé ohrožení pro Zemi. Její působení se prakticky výhradně omezuje na gravitaci. Pokud ji tvoří miničerné díry, jejich hustota v našem okolí zůstává natolik malá, že šance na blízké setkání s jednou z nich je v měřítku celé historie lidstva zanedbatelná. Daleko zajímavější jsou dlouhodobé poznávací přínosy.
Každý další zaregistrovaný signál s účastí tak malých černých děr dává šanci testovat teorie gravitace v extrémním režimu. To může naznačit, kde hledat novou fyziku přesahující obecnou teorii relativity a standardní model částic. Právě z takových zdánlivě hermetických výzkumů často vycházejí technologie, které po letech proniknou do každodenního života. Od satelitní navigace po pokročilé metody lékařského zobrazování.
