Neobvyklý signál gravitačních vln odhalil objekt tak nízké hmotnosti, že neodpovídá žádnému známému modelu vzniku hvězd. Odborníci zvažují, zda nejde o stopu z prvních mikrosekund po Velkém třesku.
Vědci z kolaborace LIGO–Virgo–Kagra prozkoumali záznam srážky dvou kompaktních vesmírných objektů, označené jako S251112cm. Když vyčíslili hmotnosti obou účastníků této kosmické kolize, ukázalo se, že jeden z nich váží méně než naše Slunce. Klasická astrofyzika existenci tak lehké černé díry v podstatě vylučuje. Právě proto část výzkumníků dnes připouští, že možná sledujeme první hmatatelnou stopu takzvané praprvotnější černé díry — útvaru zrozeného v prvních okamžicích po Velkém třesku.
Gravitační vlny jsou pro astronomy zásadním nástrojem ke zkoumání kosmu. Zatímco drtivá většina dosavadních detekcí se týkala černých děr s hmotnostmi v řádu desítek Sluncí, tento případ vyniká svou podivuhodnou lehkostí. Podobný objev by mohl zásadně přeformovat naše porozumění ranému vesmíru a přispět k rozluštění záhady temné hmoty.
Jak gravitační vlny přivedly vědce na stopu kosmické záhady
Vše začalo zdánlivě rutinním zachycením gravitačního signálu sítí detektorů LIGO, Virgo a japonského Kagra. Tyto obří interferometry registrují nepatrné změny vzdálenosti mezi zrcadly, vyvolané průchodem gravitačních vln naší planetou. Naprostá většina takových událostí pochází ze srážek černých děr s hmotnostmi mnoha desítek Sluncí.
Rozbor události S251112cm však přinesl něco zcela výjimečného. Jeden ze dvou splývajících objektů vykazuje hmotnost v rozmezí přibližně od jedné desetiny po něco pod jednu hmotnost Slunce. Tak lehká černá díra prostě nezapadá do žádného standardního rámce hvězdné evoluce.
Vědci pečlivě prověřili i konvenčnější vysvětlení. Kdyby signál vznikl při srážce neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, musely by ho doprovázet záblesky elektromagnetického záření — ať už gama záření, rentgenové nebo alespoň optické. Hledání takového doprovodu ale nevydalo žádný výsledek. Na scéně tak zůstal výrazně exotičtější scénář.
Černá díra menší než české město
Objekty blízké hmotnosti Slunce, které astronomové důvěrně znají z katalogů, jsou zpravidla velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vznikající kolapsem masivní hvězdy je podstatně hmotnější — podle současných modelů musí přesáhnout zhruba trojnásobek sluneční hmotnosti. Objekt o hodnotě 0,87 sluneční hmotnosti je proto pro astrofyziku naprostou anomálií.
Pro černou díru takové hmotnosti vycházejí výpočty na rozměry srovnatelné s větším českým městem. Průměr takové časoprostorové pasti by byl přibližně pět kilometrů — vzdálenost, kterou zdatný běžec překoná za půl hodiny. A přesto by v sobě ukrývala téměř veškerou hmotu Slunce.
Vznik něčeho tak extrémního vyžaduje podmínky, jež žádný běžný hvězdný proces nedokáže zajistit. Fyzika klasické hvězdné evoluce vznik černé díry tak nízké hmotnosti standardním kolapsem jádra hvězdy neumožňuje. Proto badatelé upínají pozornost k nejranějším epochám kosmické historie.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Autoři nové analýzy, Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia, obracejí pohled daleko do minulosti — do doby, kdy byl vesmír mladší než miliontina sekundy. V tomto období se hmota chovala radikálně odlišně než dnes: dominovalo takzvané kvarko-gluonové plazma a hustoty i teploty dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Již v sedmdesátých letech minulého století fyzici-teoretici, včetně Stephena Hawkinga, předpovídali, že v takovém prostředí mohly lokální výkyvy hustoty kolabovat pod vlastní tíhou a dát vzniknout celé populaci miniaturních černých děr. Tyto objekty dostaly název praprvotnější černé díry. Analyzovaný objekt mohl podle výzkumného týmu vzniknout právě v éře spjaté s fyzikou kvantové chromodynamiky, pouhé mikrosekundy po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář správný, signál S251112cm by představoval první přímý důkaz, že takovéto útvary skutečně přežily do současnosti. Zároveň by to znamenalo, že vesmír začal produkovat černé díry již ve svých úplných počátcích — a to v množství, o němž se doposud hovořilo jen v rovnicích. Pro kosmology by šlo o revoluční průlom.
- Délka trvání signálu prozrazuje hmotnosti obou složek splývajícího páru
- Amplituda vlny se přepočítává na vzdálenost zdroje od Země
- Koncová frekvence umožňuje odhadnout hmotnost nově vzniklého objektu
- Absence světelného záblesku pomáhá vyloučit neutronové hvězdy jako vysvětlení
- Tvar zaznamenaného signálu odhaluje povahu srážejících se objektů
- Interferometrická technika zachytí změnu menší než zlomek průměru protonu
- Ramena detektorů LIGO měří několik kilometrů délky
- Virgo v Itálii a Kagra v Japonsku tvoří spolu s LIGO globální pozorovací síť
Může být temná hmota mořem miniaturních černých děr?
Celá skládačka nabývá ještě fascinujícího rozměru, jakmile vědci propojí tohoto kandidáta na praprvotnější černou díru s problémem temné hmoty. Desítky let je přitom jasné, že viditelná hmota — hvězdy, plyn, prach — tvoří jen malou část celkové hmotnostní bilance vesmíru. Zhruba 85 procent připadá na neviditelnou složku, která se projevuje výhradně gravitačním působením.
Mnohé výzkumné skupiny dlouho hledaly elementární částice, jež by za tuto chybějící složku mohly odpovídat — například takzvané WIMPy zachytávané v podzemních detektorech. Pátrání dosud nepřineslo jednoznačný výsledek, čímž se otevřel prostor alternativním koncepcím. Pokud praprvotnější černé díry existují v dostatečném počtu a vhodném hmotnostním rozsahu, mohly by tvořit podstatnou část — nebo dokonce celou — temnou hmotu.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře přirozeně zapadá. Jeho hmotnostní charakteristika souhlasí s předpověďmi některých modelů populace praprvotnějších černých děr. V takovém obrazu světa by temná hmota nebyla exotickou částicí, kterou neumíme přímým měřením zastihnout, ale nesčetným množstvím černých děr rozptýlených po celém kosmu od jeho nejranějších chvil. Pro fyziku elementárních částic by to zároveň znamenalo podstatně menší prostor pro hledání dosud neobjevených částic.
Signál je slibný, ale ještě ne průkazný
Navzdory vzrušení část odborníků míří svůj entuziasmums. Odhady sice ukazují, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent, přesto si interpretace žádá opatrnost. Stále nelze zcela vyloučit složitější scénáře spjaté se systémy mnoha těles v hustých hvězdokupách, jež mohou generovat neobvyklé gravitační signály.
Tým proto prozatím označuje detekovaný objekt pouze jako kandidáta na praprvotnější černou díru. Aby bylo možné přejít od hypotézy ke spolehlivému závěru, potřebují fyzici více podobných detekcí. Probíhající pozorovací kampaň sítě LVK má v tomto ohledu klíčový význam — citlivost detektorů neustále roste a šance na zachycení dalších záznamů se rok od roku zvyšuje.
Druhý nebo třetí signál se srovnatelnými parametry by mohl proměnit lákavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie. Pokud několik nezávislých událostí potvrdí existenci celé třídy černých děr s hmotností pod jednu sluneční hmotu, fyzici budou muset přepsat pasáže v učebnicích věnované Velkému třesku, rané kosmologii a podstatě temné hmoty. Šlo by o objev srovnatelný svým dosahem s prvním záchytem gravitačních vln samotných.
Co by potvrzení praprvotnějších černých děr změnilo
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappellutiho a Magaraggie, čeká nás celá řada zásadních důsledků. Kosmologie by získala nástroj ke studiu ultraraných epoch vesmíru — mnohem vzdálenějších než období, z nějž pochází mikrovlnné reliktní záření. Praprvotnější černé díry by fungovaly jako sondy uchovávající informace o podmínkách panujících v prvních mikrosekundách existence kosmu.
Revizi by si vyžádala i teorie formování galaxií. Dodatečná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hmota shlukuje, jak narůstají hala temné hmoty a jak se rodí první hvězdy. Zjednodušeně si to lze představit jako hrnec vroucí polévky, v níž se neustále zvedají a klesají bubliny.
V nejranějším vesmíru hrály roli těchto bublin lokální zhušťeniny hmoty. Většina z nich se s rozpínáním vesmíru rozplynula, ale ty nejhustší mohly kolabovat samy pod sebou a dát vzniknout černým dírám. Po miliardy následujících let by tyto objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich a občas se mezi sebou srážely. Právě při takových vzácných srážkách vznikají gravitační vlny, které dnes zachytávají pozemské detektory. Každý takový signál je tak pohlednicí odeslanou z úplných počátků vesmíru — a přináší informace o podmínkách, jež není možné pozorovat žádným jiným způsobem.
