Neobvyklý signál gravitačních vln odhalil objekt tak lehký, že neodpovídá žádnému známému modelu vzniku hvězd. Experti uvažují o stopě z prvních mikrosekund po Velkém třesku.
Vědci z týmu LIGO–Virgo–Kagra analyzovali záznam srážky dvou kompaktních objektů označené symbolem S251112cm. Když spočítali hmotnosti účastníků této kosmické kolize, ukázalo se, že jeden z nich váží méně než Slunce. Pro klasickou astrofyziku taková černá díra v podstatě nemůže existovat. Právě proto část badatelů dnes říká, že se možná díváme na první stopu takzvané praprvotnější černé díry, vytvořené těsně po Velkém třesku.
Gravitační vlny představují pro astronomy klíčový nástroj k pozorování vesmíru. Zatímco většina dosavadních objevů se týkala černých děr o hmotnostech několika desítek Sluncí, tento případ je výjimečný svou podivuhodnou lehkostí. Takový objev může změnit naše chápání raného vesmíru a vyřešit záhadu temné hmotnosti.
Jak gravitační vlny odhalily kosmickou záhadu
Všechno začíná zdánlivě rutinním zachycením gravitačních vln sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto gigantické interferometry měří mikroskopické změny vzdálenosti mezi zrcadly, způsobené průchodem gravitačních vln Zemí. Většina takových signálů pochází ze srážek černých děr o hmotnostech několika desítek Sluncí.
Tentokrát ale analýza události S251112cm odhalila něco výjimečného. Jeden ze dvou splývajících objektů má hmotnost v rozmezí od jedné desetiny až po něco pod jednu hmotnost Slunce. Tak lehká černá díra se nevejde do rámce známých procesů hvězdné evoluce.
Vědci okamžitě prověřili tradičnější vysvětlení. Pokud by signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, muselo by se to zaznamenat i ve světle – v gama záření, rentgenovém nebo alespoň v optickém spektru. Hledání doprovodného záblesku nepřineslo žádný výsledek. Ve hře tak zůstal výrazně exotičtější scénář.
Černá díra menší než české město
Objekty o hmotnosti blízké Slunci, které známe z astronomických katalogů, jsou většinou velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající z kolapsu masivní hvězdy je mnohem těžší – podle současných modelů musí mít minimálně asi tři hmotnosti Slunce. Pro astrofyziky je tedy objekt o hmotnosti 0,87 hmotnosti Slunce naprostou výjimkou.
Pro objekt o hmotnosti řádu 0,87 hmotnosti Slunce výpočty dávají rozměry srovnatelné s větším českým městem. Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně pět kilometrů. To je vzdálenost, kterou lze v pohodě uběhnout za půl hodiny – a přitom mluvíme o uložení téměř celé hmotnosti Slunce v takovém měřítku.
K vytvoření něčeho tak extrémního jsou potřeba podmínky, které nezajistí žádný známý proces probíhající ve hvězdách. Astrofyzici zdůrazňují, že fyzika klasické hvězdné evoluce neumožňuje vytvoření černé díry o tak nízké hmotnosti běžným zhroucením jádra hvězdy. Právě proto se badatelé obrací k raným epochám vesmíru.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Proto autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, obracejí pohled mnohem dále do minulosti, do dob, kdy vesmír měl méně než miliontinu sekundy. V tomto období se hmota chová jinak než dnes – dominuje takzvané kvarko-gluonové plazma a hustoty i teploty jsou nepředstavitelné.
Již v sedmdesátých letech fyzici teoretici, včetně Stephena Hawkinga, předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální fluktuace hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a tvořit celou populaci miniaturních černých děr. Získaly název praprvotnější černé díry. Tým naznačuje, že analyzovaný objekt mohl vzniknout právě v éře spojené s fyzikou kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář pravdivý, signál S251112cm by byl prvním hmatatelným důkazem, že takové útvary skutečně přežily do dnešních časů. Znamenalo by to, že vesmír už ve svých prvních okamžicích začal produkovat černé díry v množství, o kterém se dosud hovořilo pouze v rovnicích. Pro kosmology by šlo o revoluční objev.
- Doba trvání signálu informuje o hmotnostech složek páru
- Amplituda se překládá na vzdálenost zdroje od Země
- Koncová frekvence umožňuje odhadnout hmotnost vzniklého objektu
- Absence světelného signálu pomáhá vyloučit neutronové hvězdy
- Tvar zaznamenaného cvrkotu odhaluje typ srážejících se objektů
- Interferometrická technika zachytí změnu menší než zlomek průměru protonu
- Detektory LIGO mají ramena dlouhá několik kilometrů
- Virgo v Itálii a Kagra v Japonsku tvoří globální síť
Může temná hmotnost být mořem miniaturních černých děr
Pečlivá skládačka se stává ještě zajímavější, když vědci spojí tohoto kandidáta na praprvotnější černou díru s problémem takzvané temné hmotnosti. Už desítky let je známo, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří pouze malou část kosmické hmotnostní bilance. Asi 85 procent představuje neviditelná komponenta, která se projevuje pouze gravitací.
Dosud mnoho skupin hledalo částice odpovídající za tuto chybějící složku, například WIMPy registrované v podzemních detektorech. Hledání dosud nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo cestu alternativním nápadům. Pokud praprvotnější černé díry existují v odpovídajícím počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část, možná dokonce celou temnou hmotnost.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt zapadá do takového scénáře. Hmotnostní signatura souhlasí s předpověďmi některých modelů populace praprvotnějších černých děr. V takové vizi je temná hmotnost nikoli exotické částice, které neumíme namířit, ale nespočetné černé díry roztroušené po celém kosmu od nejranějších epoch. Pro fyziku částic by to znamenalo menší prostor pro hledání nových elementárních částic.
Signál slibný, ale ještě ne rozhodující
Navzdory nadšení část badatelů temperuje emoce. Odhady říkají, že pravděpodobnost hmotnosti menší než jedna hmotnost Slunce dosahuje přes 99 procent, ale interpretace vyžaduje opatrnost. Stále existují složitější scénáře spojené se systémy mnoha objektů v hustých hvězdokupách, které mohou generovat netypické signály.
Proto zatím tým označuje objekt jako kandidáta na praprvotnější černou díru. Aby přešli od návrhu k silnému závěru, fyzici potřebují více podobných událostí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK má tu klíčový význam – detektory dosahují stále vyšší citlivosti, takže šance na další záznamy roste každým rokem.
Druhý, třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit intrigující hypotézu v novou kapitolu kosmologie. Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy subsolárních černých děr, fyzici budou muset přepracovat kapitoly v učebnicích týkající se Velkého třesku, rané kosmologie a povahy temné hmotnosti. Šlo by o převratný objev srovnatelný s objevem samotných gravitačních vln.
Co by potvrzení praprvotnějších černých děr změnilo
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappellutiho a Magaraggie, čeká nás série důsledků. Kosmologie získá nástroj ke studiu ultraraných epoch, mnohem dřívějších než období, z něhož pochází mikrovlnné reliktní záření. Praprvotnější černé díry by fungovaly jako sondy pamatující si podmínky panující v prvních mikrosekundách existence kosmu.
Teorie formování galaxií by také vyžadovala korekci. Dodatečná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hromadí hmota, jak se rozrůstají hala temné hmotnosti a jak se tvoří první hvězdy. Pro běžné lidi můžeme použít jednoduchý obraz – představte si hrnec s vroucí polévkou, ve které se neustále vznášejí a klesají bubliny.
Ve velmi raném vesmíru byly takovými bublinami zahušťování hmoty. Většina z nich se rozptýlila, když se vesmír rozpínal, ale některé mohly být tak husté, že samy pod sebou kolabovaly a tvořily černé díry. Po následující miliardy let by takové objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi a uvnitř nich, občas se mezi sebou srážejíce. Právě při takových vzácných srážkách vytvářejí gravitační vlny, které dnes zachytávají pozemské detektory. Každý takový signál tedy funguje jako pohlednice zaslaná z prvních okamžiků existence vesmíru a přináší ti informace o podmínkách, které jinak nemůžeš pozorovat žádným jiným způsobem.
