Astrofyzici z USA zachytili gravitační vlnu z objektu, který se podle předběžných analýz zrodil v první sekundě po Velkém třesku. Měl by vážit méně než Slunce, což odporuje všemu, co víme o běžných černých dírách.
Takový objev by znamenal revoluci v kosmologii. Pokud se interpretace potvrdí, šlo by o první stopу po primordální černé díře – relikvii z doby, kdy ještě neexistovaly žádné hvězdy. Navíc by to mohlo částečně vysvětlit, z čeho se skládá temná hmota.
Vědci z Univerzity v Miami, Alberto Magaraggia a Nico Cappelluti, analyzovali data z detektoru LIGO a ukázali, že signál označený jako S251112cm má vlastnosti, které nejlépe odpovídají právě primordální černé díře. Tento objekt se srazil s jiným tělesem a vytvořil gravitační vlny, které jsme zachytili. Aby to byl skutečný průlom, potřebujeme podobných signálů minimálně několik dalších. Ale už samotná možnost registrovat tak exotické objekty znamená novou kapitolu v astronomii.
Jak vzniká černá díra, která nepotřebovala hvězdu
Standardní scénář tvoření černé díry znáš z učebnic fyziky. Masivní hvězda na konci svého života kolabuje pod vlastní hmotností, exploduje jako supernova a její jádro se promění v černou díru. Takový objekt má typicky několik až několik desítek hmotností Slunce.
S novým signálem je to jinak. Objekt, který se srazil s jiným tělesem a vytvořil zaregistrované gravitační vlny, má hmotnost výrazně nižší než Slunce. Teoreticky by ani neměl existovat – ledaže nevznikl z hvězdy, ale úplně jiným způsobem.
Možným vysvětlením je právě primordální černá díra, která se zrodila v extrémních podmínkách těsně po Velkém třesku, ještě předtím, než se vůbec vytvořily první hvězdy. Takové objekty jsou kosmickými fosiliemi z první sekundy existence vesmíru.
Podле teoretických modelů mohly vzniknout z velmi hustých shluků subatomární hmoty v horké a nebývale rychle se rozpínající prostoru. Nevyžadovaly žádnou hvězdu, žádnou explozi supernovy – jen čistou, extrémní hustotu.
Proč hmotnost dělá v tomto případě zásadní rozdíl
Běžné černé díry, které astronomové pozorují, spadají do dvou typických kategorií hmotnosti. První skupinu tvoří objekty s několika až desítkami hmotností Slunce – pozůstatky po masivních hvězdách. Druhou skupinu představují supermasivní černé díry v centrech galaxií s miliony až miliardami hmotností Slunce.
Objekt naznačený v novém signálu se vejde výrazně pod dolní hranici známou z těchto případů. To prakticky vyřazuje klasický hvězdný scénář a na scénu přichází koncept primordálních černých děr.
Astrofyzici porovnali předpokládanou četnost výskytu takových objektů se skutečnými daty z detektoru LIGO, která se sbírají od roku 2015. Vzácnost tohoto signálu dobře souhlasí s teoretickými modely pro primordální černé díry. Jinými slovy – objevuje se právě tak sporadicky, jak by měl, pokud tyto objekty skutečně existují.
Vědci také zkoumali, zda by podobně nízkou hmotnost nemohl mít nějaký jiný typ kompaktního objektu, třeba neutronová hvězda. Charakteristiky signálu však jasně ukazují na kolizní událost, která odpovídá spíše černé díře než hvězdě z neutronů.
Jak LIGO slyší vesmír díky gravitačním vlnám
Za celým objevem stojí LIGO – americká observatoř gravitačních vln, která měří mikroskopické chvění prostoru vznikající při srážkách extrémně hmotných objektů. V roce 2015 LIGO poprvé zaregistrovalo signál z kolize černých děr, což vedlo k Nobelově ceně a revoluci v astronomii.
Teď tentýž instrument zachycuje něco mnohem subtilnějšího. Signál S251112cm se vyznačuje hmotností objektu, kterou nelze snadno zařadit do známých kategorií. Magaraggia a Cappelluti data analyzovali a poukazují na primordální černou díru jako na nejpřesvědčivější vysvětlení.
LIGO ukázalo, že dokáže nejen registrovat spektakulární srážky masivních černých děr, ale také stopovat mnohem lehčí a exotičtější objekty skryté v šumu dat. Detektory používají laserové interferometry s rameny dlouhými čtyři kilometry, umístěné v Hanfordu ve státě Washington a v Livingstonu v Louisianě.
Jedno zderzení samozřejmě věc nerozhoduje. Takový signál může mít alternativní interpretace a astrofyzici jsou známí svou opatrností. Proto badatelé otevřeně přiznávají, že k solidnímu potvrzení potřebují několik, nejlépe desítku podobných událostí. I tak je samotná skutečnost, že nástroje vůbec dosahují takové citlivosti, sama o sobě průlom.
Jsou primordální černé díry skrytou hmotou vesmíru
Na tom to ale nekončí. Pokud signál skutečně pochází od primordální černé díry, dotýkáme se problému, s nímž se fyzici potýkají desítky let – takzvané temné hmoty.
Z pozorování pohybů hvězd a galaxií vyplývá, že ve vesmíru chybí obrovské množství hmotnosti. Všechno, co vidíme – hvězdy, planety, plyn, prach – představuje jen asi patnáct procent toho, co je třeba k vysvětlení gravitačního chování vesmíru. Zbytek tvoří neviditelná hmota, která nesvítí a neodrážejí světlo, ale přitahuje gravitačně.
Jedna z hypotéz říká, že významnou část této chybějící hmotnosti by mohly tvořit právě primordální černé díry, roztroušené v prostoru jako mikroskopické, neviditelné „kuličky tíže“. Pokud LIGO skutečně začalo registrovat takové objekty, nejde jen o zajímavost.
Vědci získávají nástroj ke sčítání těchto děr a odhadování jejich celkové hmotnosti. Každá další událost pomůže odpovědět na otázku, zda se primordální černé díry dají sladit s pozorováními galaxií, kup hvězd nebo kosmického mikrovlnného záření na pozadí.
Někteří teoretici nicméně upozorňují, že kdyby primordální černé díry tvořily veškerou temnou hmotu, měli bychom vidět výrazně více gravitačního čočkování – ohýbání světla kolem takových objektů. Zatím se to nepotvrdilo, takže realisticky by mohly tvořit jen zlomek temné hmoty.
Co může přinést projekt LISA a další generace detektorů
LIGO není jediný instrument na obzoru. Evropská kosmická agentura vyvíjí projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – kosmický detektor gravitačních vln. Tři satelity mají vytvořit obří trojúhelníkový interferometr obíhající kolem Slunce. Start se plánuje na polovinu třicátých let.
LISA bude citlivá na jiný rozsah frekvencí než LIGO, což znamená, že zachytí úplně nové typy zdrojů. Pro primordální černé díry může jít o průlom – některé z nich, zvláště ty ve dvojicích, mohou generovat vlny ideálně odpovídající citlivosti kosmického interferometru.
- LIGO detekuje frekvenční rozsah desítky až tisíce hertzů, vhodný pro srážky hvězdných černých děr
- LISA bude zachycovat rozsah milihertzů, odpovídající masivnějším a vzdálenějším objektům
- Einstein Telescope v Evropě má začít fungovat v příštích patnácti letech s desetinásobně vyšší citlivostí
- Cosmic Explorer v USA navrhuje ramena dlouhá čtyřicet kilometrů namísto současných čtyř
- Japonský detektor KAGRA už funguje a přidává třetí kontinent do sítě observatoří
- Pulzarový timing array sleduje milisekundové pulsary a hledá gravitační vlny s periodou let
Jak si představit černou díru lehčí než Slunce
Černá díra lehčí než Slunce zní trochu abstraktně, takže ji zkusíme ukotvi k něčemu hmatatlnějšímu. Kdyby existovala primordální černá díra s hmotností třeba většího asteroidu, měla by rozměr blízký fotbalovému míči, možná i menší. A přesto by její gravitace převyšovala gravitaci celé hory a v blízkosti horizontu událostí by neunikl ani paprsek světla.
Takové objekty jsou prakticky nezjistitelné klasickými dalekohledy. Nesvítí, neodrážejí světlo, někdy se pouze prozradí tím, že zakřiví dráhu paprsků procházejících za nimi, nebo – jako v tomto případě – vydají gravitační vlny při srážce s jinou hmotou.
Badatelé odhadují, že v naší Galaxii by mohly existovat miliony až miliardy takových miniaturních černých děr, pokud vůbec existují. Rozpoznat je individuálně je téměř nemožné, ale jejich kolektivní efekt na pohyby hvězd a kosmické záření by mohl být měřitelný.
Co mění jedno netypické zjištění pro budoucí výzkum
Ačkoli signál S251112cm vyžaduje potvrzení, už teď ovlivňuje způsob, jakým vědci plánují další studie. Začíná se procházet archivní data a hledat podobné, dříve ignorované události. Teoretické týmy dolaďují modely, které předpovídají, jak přesně by měly vypadat srážky primordálních černých děr různých hmotností.
Pro nás, běžné pozorovatele, celý příběh ukazuje, jak rychle se astronomie mění. Ještě před deseti lety byly gravitační vlny jen konceptem z Einsteinových rovnic. Dnes se stávají nástrojem k výzkumu nejnedostupnějších etap v dějinách vesmíru – těch, které neukáže žádný optický ani rádiový teleskop.
Pokud další roky přinesou více podobných signálů, pojmy jako primordální černá díra nebo temná hmota mohou přestat znít jako čistá teorie. Časem 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 číselnější, spočitatelnou odpověď. Možná se brzy dozvíme, jestli skutečně existují fosilie z první vteřiny vesmíru – a co nám mohou říct o struktuře reality samotné.
