Astrofyzici z USA zachytili gravitační vlny, které pravděpodobně pocházejí z černé díry vzniklé v prvních okamžicích po Velkém třesku. Objekt má menší hmotnost než Slunce, což odporuje všemu, co věda dosud o černých dírách věděla.
Takový objev může přepsat učebnice kosmologie. Pokud se interpretace potvrdí, poprvé v historii máme stopu po takzvané primordiální černé díře – pozůstatku z první sekundy existence vesmíru.
Pro tebe to znamená, že nejde o klasický scénář se supernovou a kolabující hvězdou. Jde o něco mnohem staršího a vzácnějšího. Vědci z Univerzity v Miami, Alberto Magaraggia a Nico Cappelluti, analyzovali data z detektoru LIGO a jejich závěr naznačuje, že tyto exotické objekty skutečně existují. Není to jen teorie – máme konkrétní signál označený jako S251112cm.
Černá díra, která nepotřebovala žádnou hvězdu
Standardní vznik černé díry znáš ze základů astrofyziky. Masivní hvězda na konci života zkolabuje pod vlastní tíhou, vybuchne jako supernova a její jádro se promění v černou díru. Proto takové objekty obvykle dosahují hmotnosti několika až desítek hmotností Slunce.
S novým signálem je to jinak. Objekt, který se srazil s jiným tělesem a vytvořil zachycené gravitační vlny, má hmotnost výrazně nižší než Slunce. Teoreticky by tedy neměl existovat – pokud nevznikl z hvězdy, ale úplně jiným způsobem.
Možným vysvětlením je primordiální černá díra, která se zrodila v extrémních podmínkách těsně po Velkém třesku, ještě předtím, než se vůbec zformovaly první hvězdy. Takové objekty jsou kosmickými fosiliemi z první sekundy existence vesmíru.
Podle teorie mohly vzniknout z velmi hustých shluků subatomární hmoty, které se vytvořily v horké, závratně rychle expandující prostoru. Nevyžadovaly žádnou hvězdu, žádný výbuch supernovy – jen čistou, extrémní hustotu.
Proč hmotnost dělá v tomto případě zásadní rozdíl
Běžné černé díry, které astronomové pozorují, mají zhruba dva typické rozsahy hmotností. První skupina zahrnuje několik až desítky hmotností Slunce – jde o pozůstatky po masivních hvězdách. Druhá skupina obsahuje miliony až miliardy hmotností Slunce – obří černé díry v centrech galaxií.
Objekt naznačený v novém signálu se nachází výrazně pod dolní hranicí známou z těchto případů. To způsobuje, že klasický hvězdný scénář prakticky odpadá a na scénu vstupuje koncept primordiálních černých děr.
Astrofyzici porovnali předpokládanou četnost výskytu takových objektů s reálnými daty z detektoru LIGO, která se sbírají od roku 2015. Vzácnost tohoto signálu dobře odpovídá teoretickým modelům pro primordiální černé díry. Jinými slovy – objevuje se přesně tak sporadicky, jak by měl, pokud tyto objekty skutečně existují.
Vědci uvádějí čtyři klíčové charakteristiky signálu S251112cm:
- Hmotnost objektu pod hodnotou jedné sluneční hmotnosti
- Frekvence výskytu odpovídající teoretickým predikcím
- Tvar gravitační vlny odlišný od standardních kolizí
- Chybějící elektromagnetické záření typické pro hvězdné černé díry
- Konzistence s modely rané inflační fáze vesmíru
- Nízký poměr signálu k šumu vyžadující sofistikovanou analýzu
Jak LIGO „slyší“ vesmír díky gravitačním vlnám
Za celým objevem stojí LIGO – americká observatoř gravitačních vln, která měří mikroskopické vibrace prostoru vznikající při srážkách extrémně hmotných objektů. V roce 2015 LIGO poprvé zaznamenalo signál z kolize černých děr, což vedlo k nobelovské revoluci v astronomii.
Teď tentýž přístroj zachycuje něco mnohem subtilnějšího. Signál S251112cm vyniká hmotností objektu, kterou nelze snadno zařadit do známých kategorií. Dva vědci z Univerzity v Miami analyzovali data a ukazují na primordiální černou díru jako na nejkonzistentnější vysvětlení.
LIGO dokázalo, že je schopné nejen registrovat spektakulární kolize masivních černých děr, ale také stopovat mnohem lehčí a exotičtější objekty, ukryté v šumu dat. Laboratoře v Hanfordu a Livingstonu používají laserové interferometry s rameny dlouhými čtyři kilometry.
Jedno srážka ovšem nerozhoduje. Takový signál může mít alternativní interpretace a astrofyzici jsou známí svou opatrností. Proto vědci otevřeně přiznávají, že pro silné potvrzení potřebují několik, nejlépe i více než deset podobných událostí. Přesto samotná skutečnost, že instrumenty vůbec dosahují takové citlivosti, otevírá novou oblast výzkumu.
Mohou být primordiální černé díry skrytou hmotou vesmíru
Tím to nekončí. Pokud signál skutečně pochází od primordiální černé díry, dotýkáme se problému, s nímž se fyzici potýkají už desítky let – takzvané temné hmoty.
Z pozorování pohybů hvězd a galaxií vyplývá, že ve vesmíru chybí obrovské množství hmoty. Všechno, co vidíme – hvězdy, planety, plyn, prach – představuje pouze asi patnáct procent toho, co je potřeba k vysvětlení gravitačního chování vesmíru. Zbytek tvoří neviditelná hmota, která nesvítí ani neodráží světlo, ale gravitačně přitahuje.
Jedna z hypotéz říká, že významnou část této chybějící hmoty mohou tvořit právě primordiální černé díry, rozptýlené v prostoru jako mikroskopické, neviditelné kuličky hmotnosti. Pokud LIGO skutečně začalo registrovat takové objekty, nejde jen o zajímavost.
Vědci získávají nástroj k jejich počítání a odhadování, kolik mohou vážit dohromady. Každá další událost pomůže odpovědět na otázku, zda primordiální černé díry lze sladit s pozorováními galaxií, kup nebo kosmického mikrovlnného pozadí.
Astrofyzici ze Stanford University a MIT spolupracují na vytvoření katalogů těchto objektů. Výzkumníci z Caltech zdokonalují algoritmy pro filtraci signálů. Teoretici z University of Cambridge propracovávají modely jejich vzniku.
Co může přinést LISA a další generace detektorů
LIGO není jediný přístroj na obzoru. Evropská kosmická agentura vyvíjí projekt LISA – kosmický detektor gravitačních vln. Tři satelity mají tvořit gigantický 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 primordiální černé díry to může být průlom – některé z nich, zejména ty v párech, mohou generovat vlny ideálně odpovídající citlivosti kosmického interferometru.
Projekt LISA zahrnuje spolupráci mezi ESA a NASA. Ramena interferometru budou dlouhá dva a půl milionu kilometrů. Misi řídí vědci z European Space Technology Centre v Nizozemsku. Testovací satelit LISA Pathfinder už úspěšně dokončil ověřovací misi.
Jak si představit tak malou černou díru
Černá díra lehčí než Slunce zní poněkud abstraktně, takže stojí za to ji zasadit do něčeho hmatatelného. Kdyby existovala primordiální černá díra s hmotností například velkého 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 teleskopy. Nesvítí, neodrážejí světlo, někdy se mohou prozradit jen tím, že zakřivují dráhu paprsků probíhajících za nimi, nebo – jako v tomto případě – vydávají gravitační vlny při srážce s jinou hmotností.
Horizont událostí takové černé díry by měl průměr několika centimetrů až metrů. Hustota by dosahovala hodnot srovnatelných s atomovým jádrem. Objekt o hmotnosti poloviny Slunce by se vešel do koule velikosti Prahy.
Co mění jeden netypický objev pro budoucnost výzkumu
Ačkoli signál S251112cm vyžaduje potvrzení, už teď ovlivňuje to, jak vědci plánují budoucí výzkum. Začíná se selektovat archivní data s ohledem na podobné, dříve ignorované události. Teoretické týmy dopracovávají modely, které předpovídají, jak přesně by měly vypadat srážky primordiálních černých děr různých hmotností.
Pro nás, běžné pozorovatele, celý příběh ukazuje, jak rychle se mění astronomie. Ještě před deseti lety byly gravitační vlny pouze konceptem z Einsteinových rovnic. Dnes se stávají nástrojem ke zkoumání nejnedostupnějších etap v dějinách vesmíru – těch, které neukáže žádný optický ani rádiový teleskop.
Pokud další roky přinesou více podobných signálů, pojmy jako primordiální 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 evoluci galaxií. A tehdy otázky o počátcích všeho, co nás obklopuje, začnou mít mnohem více číselnou, měřitelnou odpověď.
