Neobvyklý gravitační signál vyvolává otázky
Výzkumníci zaznamenali něco mimořádného. Signál gravitačních vln naznačuje existenci objektu tak lehkého, že nezapadá do žádného známého modelu hvězdné evoluce. Tento objev by mohl zcela přepsat naše chápání raného vesmíru.
Tým vědecké kolaborace LIGO–Virgo–Kagra detailně analyzoval srážku dvou kompaktních těles označenou jako S251112cm. Když vědci spočítali hmotnosti účastníků této kosmické kolize, zjistili překvapivou věc. Jeden z objektů váží méně než naše Slunce. Pro tradiční astrofyziku by taková černá díra prakticky neměla existovat. Právě proto někteří badatelé nyní spekulují, že možná pozorujeme první důkaz takzvané prastarověké černé díry, která vznikla bezprostředně po Velkém třesku.
Gravitační vlny přinášejí záhadný vzkaz z vesmíru
Celý příběh začíná zdánlivě rutinním záznamem gravitačních vln pomocí sítě detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto mohutné interferometry dokážou měřit nepatrné změny vzdáleností mezi zrcadly, způsobené průchodem gravitačních vln naší planetou.
Většina podobných signálů pochází ze srážek černých děr o hmotnostech desítek Sluncí. Tentokrát však analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného. Jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost pohybující se od přibližně desetiny až těsně pod jednu sluneční hmotnost.
Takto lehká černá díra se nevejde do rámce známých procesů vývoje hvězd. Jedná se o závažný signál naznačující zcela odlišný mechanismus jejího vzniku.
Výzkumníci okamžitě prověřili konvenčnější vysvětlení. Pokud by signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, museli by zaznamenat také elektromagnetické záření. Pátrání po doprovodném záblesku v gama paprscích, rentgenovém nebo optickém spektru však nepřineslo žádné výsledky. Ve hře tak zůstal mnohem exotičtější scénář.
Černá díra menší než velké město
Objekty s hmotností blízkou Slunci, které známe z astronomických katalogů, jsou převážně extrémně husté neutronové hvězdy. Běžná černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy bývá výrazně těžší. Podle současných modelů musí dosahovat minimálně asi tří slunečních hmotností.
Pro objekt o hmotnosti kolem 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí rozměry srovnatelné s větším českým městem. Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně 5 kilometrů. Vzdálenost, kterou člověk pohodlně uběhne za půl hodiny, a přitom mluvíme o nahromadění téměř celé hmotnosti Slunce do tak malého prostoru.
K vytvoření něčeho takto extrémního jsou zapotřebí podmínky, které žádný známý hvězdný proces nedokáže zajistit. Astrofyzici zdůrazňují, že klasická fyzika hvězdného vývoje neumožňuje vznik černé díry s tak nízkou hmotností běžným kolapsem hvězdného jádra.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Právě proto autoři nové studie, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, upínají pozornost mnohem dále do minulosti. Konkrétně do období, kdy byl vesmír mladší než miliontina sekundy. V této éře se hmota chovala naprosto odlišně od současnosti. Dominovala takzvaná kvark-gluonová plazma a hustoty s teplotami dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Již v sedmdesátých letech teoretičtí fyzikové včetně Stephena Hawkinga předpovídali zajímavou možnost. V takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a vytvářet celou populaci miniaturních černých děr. Tyto objekty získaly označení prastarověké černé díry.
Výzkumný tým naznačuje, že analyzovaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s fyzikou kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud se tento scénář potvrdí, signál S251112cm by představoval první hmatatelný důkaz, že takové útvary skutečně přežily do současnosti. Znamenalo by to, že vesmír již ve svých prvních okamžicích začal produkovat černé díry v množstvích, o kterých se dosud hovořilo pouze v teoretických rovnicích.
Skrývá se temná hmota v podobě miniaturních černých děr?
Celá skládanka nabývá ještě fascinujících rozměrů, když badatelé spojí tohoto kandidáta na prastarověkou černou díru s problémem takzvané temné hmoty. Již desítky let víme, že viditelná hmota představuje jen malou část kosmické hmotnostní bilance. Přibližně 85 procent tvoří neviditelná složka, která se projevuje pouze gravitačně.
Dosud mnoho výzkumných skupin pátralo po částicích odpovědných za tento chybějící komponent. Hledání takzvaných WIMPů v podzemních detektorech však zatím nepřineslo jednoznačný úspěch. To otevřelo cestu alternativním hypotézám.
Pokud prastarověké černé díry existují v dostatečném počtu a vhodném rozsahu hmotností, mohly by tvořit podstatnou část temné hmoty. Možná dokonce její úplnou většinu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt odpovídá takovému scénáři. Hmotnostní charakteristika se shoduje s předpověďmi některých modelů populace prastarověkých černých děr. V této vizi temná hmota nepředstavuje exotické částice, které nedokážeme najít. Místo toho by šlo o nesčetné černé díry rozeseté po celém kosmu od nejranějších epoch.
Slibný signál vyžaduje další potvrzení
Navzdory nadšení někteří vědci vyzývají k opatrnosti. Odhady uvádějí, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent. Interpretace však vyžaduje obezřetnost. Stále existují složitější scénáře zahrnující soustavy více objektů v hustých hvězdokupách, které mohou generovat netypické signály.
Proto tým zatím označuje objekt jako „kandidáta" na prastarověkou černou díru. K přechodu od náznaku k pevnému závěru fyzikové potřebují více podobných událostí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK hraje klíčovou roli. Detektory dosahují stále vyšší citlivosti, takže šance na další záznamy roste každým rokem.
Druhý či třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit zajímavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie.
Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy sub-solárních černých děr, fyzikové budou muset přepsat kapitoly učebnic věnované Velkému třesku, rané kosmologii a podstatě temné hmoty.
Jak funguje detektor gravitačních vln?
Pro lepší pochopení významu současného signálu pomáhá vědět, co vlastně LIGO nebo Virgo měří. Jde o zařízení, kde laserový paprsek putuje ve dvou kolmých ramenech a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když gravitační vlna prochází detektorem, nepatrně stlačí jednu osu a druhou protáhne.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu. Přesto pokročilá interferometrická technika dokáže tento rozdíl zachytit. Z tvaru zaznamenaného „cvrlikání" gravitačních vln badatelé vyčtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů.
- Doba trvání signálu informuje o hmotnostech složek páru
- Amplituda se převádí na vzdálenost zdroje
- Konečná frekvence umožňuje odhadnout hmotnost výsledného objektu
- Absence světelného signálu pomáhá vyloučit neutronové hvězdy
V případě S251112cm všechny tyto prvky vytvořily obraz soustavy, kde jeden z účastníků má netypicky nízkou hmotnost. Právě tento detail vzbudil tak velký zájem vědecké komunity.
Co by znamenalo potvrzení prastarověkých černých děr?
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappellutiho a Magaraggii, čeká nás řada důsledků. Kosmologie získá nástroj pro zkoumání ultraraných epoch, mnohem starších než období, z něhož pochází kosmické mikrovlnné záření. Prastarověké černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající paměť podmínek panujících v prvních mikrosekundách existence kosmu.
Teorie vzniku galaxií by rovněž vyžadovala úpravy. Dodatečná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shromažďuje. Ovlivňuje také růst hal temné hmoty a formování prvních hvězd. Pro fyziky částic jde o důležitý signál naznačující, že pátrání po exotických částicích může mít menší pole působnosti, pokud hlavní roli hrají černé díry.
Jak si to může představit běžný člověk?
Pro lidi mimo vědecké prostředí znějí pojmy jako „éra kvantové chromodynamiky" jako čirá abstrakce. Pomáhá jednoduchá představa. Představte si hrnec s vřící polévkou, ve které neustále vystupují a klesají bubliny. Ve velmi raném vesmíru podobnými „bublinami" byly zhuštěniny hmoty.
Většina z nich se rozpustila, když se vesmír rozpínal. Některé však mohly být tak husté, že samy od sebe skolabovaly a vytvořily černé díry. Po následující miliardy let by takové objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich. Občas by se vzájemně srážely.
Právě při těchto vzácných kolizích vznikají gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory. Každý takový signál tak funguje jako pohlednice odeslaná z prvních okamžiků existence kosmu.
