Gravitační vlna z první sekundy existence vesmíru
Američtí astrofyzici zaznamenali gravitační vlnu pocházející z objektu, který podle předběžných rozborů vznikl v první sekundě po Velkém třesku. Jeho hmotnost by měla být nižší než hmotnost Slunce – a to odporuje všemu, co o klasických černých dírách dosud víme.
Pokud se tato interpretace potvrdí, šlo by o historický průlom v kosmologii. Znamenalo by to první přímou stopu primordální černé díry – kosmické relikvie z dob, kdy ve vesmíru ještě nesvítila jediná hvězda. Navíc by takový objev mohl vrhnout nové světlo na záhadu temné hmoty.
Vědci Alberto Magaraggia a Nico Cappelluti z Univerzity v Miami analyzovali záznamy detektoru LIGO a zjistili, že signál označený jako S251112cm nejlépe odpovídá primordální černé díře. Tento objekt se srazil s jiným tělesem a výsledné gravitační vlny se podařilo zachytit. Ke skutečnému potvrzení bude potřeba alespoň několik dalších podobných událostí – přesto ale samotná schopnost takové objekty vůbec detekovat představuje novou éru astronomie.
Jak vzniká černá díra, která ke svému zrodu nepotřebovala hvězdu
Standardní příběh o vzniku černé díry znáte z hodin fyziky. Masivní hvězda na sklonku svého života zkolabuje pod vlastní gravitací, exploduje jako supernova a její jádro se promění v černou díru. Takový objekt obvykle váží několik až desítky hmotností Slunce.
Nový signál ale do tohoto schématu nezapadá. Objekt, jehož srážka gravitační vlny vyvolala, má hmotnost výrazně menší než Slunce. Z hlediska běžné hvězdné fyziky by vůbec neměl existovat – pokud ovšem nevznikl úplně jiným způsobem než z hvězdy.
Nejpravděpodobnějším vysvětlením jsou právě primordální černé díry. Ty se zrodily za extrémních podmínek krátce po Velkém třesku, ještě dříve, než se ve vesmíru vůbec zformovaly první hvězdy. Jsou to doslova kosmické fosilie z první sekundy existence všeho, co existuje.
Podle teoretických modelů mohly vzniknout ze silně zhutněných shluků subatomární hmoty v horké a bouřlivě se rozpínající prapůvodní plazmě. Nevyžadovaly žádnou hvězdu ani výbuch supernovy – postačila čistá, nepředstavitelná hustota hmoty.
Proč je hmotnost v tomto případě tak zásadní
Černé díry, které astronomové běžně pozorují, spadají do dvou dobře známých hmotnostních kategorií. Tu první tvoří objekty s hmotností od několika do desítek Sluncí – pozůstatky po masivních hvězdách. Druhou kategorii představují supermasivní černé díry sídlící v centrech galaxií, jejichž hmotnost dosahuje milionů až miliard Sluncí.
Objekt naznačený novým signálem leží hluboko pod spodní hranicí obou těchto skupin. To téměř vylučuje klasický hvězdný původ a otvírá dveře konceptu primordálních černých děr.
Astrofyzici porovnali předpokládanou četnost výskytu takových objektů se skutečnými daty LIGO shromažďovanými od roku 2015. Vzácnost zachyceného signálu překvapivě dobře souhlasí s teoretickými předpověďmi pro primordální černé díry. Jinými slovy – objevuje se přesně tak sporadicky, jak by odpovídalo jejich předpokládanému počtu ve vesmíru.
Vědci také prověřovali, zda by tak nízkou hmotnost nemohl vykazovat jiný typ kompaktního objektu, například neutronová hvězda. Charakter signálu však jasně ukazuje na srážkovou událost odpovídající spíše černé díře než hvězdě složené z neutronů.
Jak LIGO naslouchá vesmíru prostřednictvím gravitačních vln
Za celým objevem stojí LIGO – americká observatoř gravitačních vln měřící nepatrné chvění samotného prostoru, které vzniká při srážkách extrémně hmotných těles. Již v roce 2015 zaregistrovalo LIGO historicky první signál z kolize černých děr, což přineslo Nobelovu cenu a odstartovalo revoluci v astronomii.
Tentýž přístroj nyní zachycuje něco podstatně jemnějšího. Signál S251112cm se vyznačuje hmotností objektu, který nelze jednoduše zařadit do žádné ze zavedených kategorií. Magaraggia a Cappelluti po rozboru dat označili primordální černou díru za nejpřesvědčivější vysvětlení.
LIGO tak prokázalo, že není schopné registrovat pouze spektakulární srážky obřích černých děr, ale dokáže vysledovat i mnohem lehčí a exotičtější objekty ukryté v šumu dat. Detektory využívají laserové interferometry s rameny dlouhými čtyři kilometry, umístěné ve Hanfordu ve státě Washington a v Livingstonu v Louisianě.
Jediná událost samozřejmě neposkytuje definitivní odpověď. Takový signál může mít i alternativní výklad a astrofyzici jsou tradičně velmi opatrní ve vyvozování závěrů. Proto vědci otevřeně říkají, že k solidnímu potvrzení potřebují nejméně několik, ideálně desítku podobných detekcí. Přesto je samotná citlivost, které přístroje dosáhly, průlomem sama o sobě.
Jsou primordální černé díry skrytou složkou vesmírné hmoty
Příběh tím ale nekončí. Pokud signál skutečně pochází od primordální černé díry, dostáváme se k problému, s nímž se fyzici potýkají již desítky let – k takzvané temné hmotě.
Z pozorování pohybů hvězd a galaxií vyplývá, že ve vesmíru chybí obrovské množství hmotnosti. Vše, co dokážeme přímo vidět – hvězdy, planety, plyn, prach – tvoří pouhých přibližně patnáct procent toho, co je nutné k vysvětlení gravitačního chování vesmíru. Zbytek představuje neviditelná hmota, která nevyzařuje ani neodráží světlo, přesto ale gravitačně působí na své okolí.
Jedna z hypotéz předpokládá, že podstatnou část této chybějící hmotnosti by mohly tvořit právě primordální černé díry, roztroušené vesmírem jako neviditelné miniaturní závaží. Pokud je LIGO skutečně začíná zachycovat, nejde o pouhou kuriozitu.
Vědci by tím získali nástroj k jejich sčítání a odhadování celkové hmotnosti. Každá další detekce pomůže odpovědět na otázku, zda jsou primordální černé díry slučitelné s pozorováními galaxií, hvězdokup nebo kosmického mikrovlnného záření na pozadí.
Někteří teoretici nicméně upozorňují na komplikaci: pokud by primordální černé díry tvořily veškerou temnou hmotu, měli bychom pozorovat výrazně více případů gravitačního čočkování – ohýbání světla kolem takových objektů. To se zatím nepotvrdilo, takže realisticky by mohly tvořit jen část celkové temné hmoty.
Co může přinést projekt LISA a příští generace detektorů
LIGO zdaleka není jediným přístrojem na obzoru. Evropská kosmická agentura vyvíjí projekt LISA (Laser Interferometer Space Antenna) – vesmírný detektor gravitačních vln. Tři satelity mají vytvořit obří trojúhelníkový interferometr obíhající kolem Slunce. Start je plánován na polovinu třicátých let tohoto století.
LISA bude citlivá na jiný rozsah frekvencí než LIGO, díky čemuž zachytí zcela nové typy zdrojů. Pro výzkum primordálních černých děr by to mohl být rozhodující průlom – zejména ty ve dvojicích mohou generovat vlny, které budou kosmickému interferometru přímo na míru.
- LIGO detekuje frekvence v rozsahu desítek až tisíců hertzů, vhodné pro srážky hvězdných černých děr
- LISA bude zachycovat milihercové frekvence odpovídající masivnějším a vzdálenějším objektům
- Einstein Telescope v Evropě má zahájit provoz v příštích patnácti letech s desetinásobně vyšší citlivostí
- Cosmic Explorer v USA navrhuje ramena dlouhá čtyřicet kilometrů namísto současných čtyř
- Japonský detektor KAGRA již funguje a přidává třetí kontinent do globální sítě observatoří
- Pulzarový timing array sleduje milisekundové pulsary a pátrá po gravitačních vlnách s periodou v řádu let
Jak si představit černou díru lehčí než Slunce
Černá díra lehčí než Slunce zní poněkud abstraktně, proto si ji zkusme přiblížit. Kdyby existovala primordální černá díra s hmotností většího asteroidu, její rozměr by se blížil fotbalovému míči, možná i méně. A přesto by její gravitace překonávala gravitaci celé hory – a v blízkosti horizontu událostí by neunikl ani paprsek světla.
Takové objekty jsou klasickými dalekohledy prakticky nezjistitelné. Nesvítí, neodráží světlo a prozradí se jen výjimečně – buď tím, že zakřiví dráhu paprsků procházejících kolem nich, nebo – jako v tomto případě – tím, že při srážce s jinou hmotou vydají gravitační vlny.
Odhaduje se, že v naší Galaxii by mohly existovat miliony až miliardy takových miniaturních černých děr, pokud vůbec existují. Rozpoznat je jednotlivě je téměř nemožné, avšak jejich souhrnný vliv na pohyby hvězd a kosmické záření by mohl být měřitelný.
Co jedno netypické zjištění mění pro budoucí výzkum
Ačkoli signál S251112cm stále čeká na potvrzení, již nyní ovlivňuje způsob, jakým vědci plánují další studie. Systematicky se prochází archivní data a pátrá se po podobných, dříve přehlédnutých událostech. Teoretické týmy zároveň zpřesňují modely předpovídající, jak přesně by měly vypadat srážky primordálních černých děr různých hmotností.
Pro nás, běžné pozorovatele, celý příběh plasticky ukazuje, jak rychle se astronomie proměňuje. Ještě před deseti lety existovaly gravitační vlny pouze jako koncept v Einsteinových rovnicích. Dnes se stávají nástrojem k prozkoumávání nejranějších a nejnedostupnějších etap dějin vesmíru – těch, které žádný optický ani rádiový dalekohled ukázat nedokáže.
Pokud příští léta přinesou více podobných signálů, pojmy jako primordální černá díra nebo temná hmota mohou přestat znít jako čistá teorie. Postupně se stanou součástí konkrétních katalogů objektů s popsanými hmotnostmi, četností srážek a vlivem na vývoj galaxií. A tehdy otázky o samých počátcích všeho, co nás obklopuje, začnou dostávat číselné, ověřitelné odpovědi. Možná se brzy dozvíme, zda fosilie z první vteřiny vesmíru skutečně existují – a co nám mohou prozradit o samotné struktuře reality.
