Astrofyzici zachytili gravitační vlny z černé díry, která neměla existovat
Američtí astrofyzici zaznamenali gravitační vlny, jež s vysokou pravděpodobností pocházejí z černé díry vzniklé v prvních okamžicích po Velkém třesku. Co je na tom tak převratné? Hmotnost tohoto objektu je nižší než hmotnost Slunce – a to zpochybňuje vše, co věda o černých dírách dosud věděla.
Pokud se tato interpretace potvrdí, půjde o historicky první přímou stopu takzvané primordiální černé díry. Tedy relikt z první vteřiny existence celého vesmíru. Učebnice kosmologie by musely projít zásadní revizí.
Černá díra, která nepotřebovala žádnou hvězdu ke svému vzniku
Ze základů astrofyziky víme, jak černé díry obvykle vznikají. Masivní hvězda na sklonku svého života zkolabuje pod vlastní gravitací, vybuchne jako supernova a její jádro se promění v černou díru. Proto mívají takové objekty hmotnost od několika do desítek slunečních hmotností.
Nový signál tento obraz zcela boří. Objekt, jehož srážka s jiným tělesem vytvořila zachycené gravitační vlny, má hmotnost výrazně menší než samotné Slunce. Klasický hvězdný scénář tím prakticky odpadá – pokud objekt nevznikl z hvězdy, musel mít úplně jiný původ.
Nejpravděpodobnějším vysvětlením je primordiální černá díra zrozená v extrémních podmínkách těsně po Velkém třesku, ještě dříve, než se zformovaly vůbec první hvězdy. Jde o kosmické fosilie z úsvitu existence vesmíru. Podle teorie mohly vzniknout z husté koncentrace subatomární hmoty v závratně rychle expandujícím prostoru – bez jakékoliv hvězdy, bez výbuchu supernovy, jen z čiré extrémní hustoty.
Proč právě hmotnost tohoto objektu mění vše
Astronomové zatím pozorují černé díry ve dvou typických hmotnostních rozsazích. První skupina zahrnuje objekty s několika až desítkami slunečních hmotností – pozůstatky masivních hvězd. Druhá skupina pak obsahuje černé díry s miliony až miliardami slunečních hmotností, ukryté v centrech galaxií.
Objekt naznačený novým signálem leží hluboko pod spodní hranicí obou těchto skupin. Právě to otevírá dveře konceptu primordiálních černých děr. Vědci z Univerzity v Miami, Alberto Magaraggia a Nico Cappelluti, analyzovali data z detektoru LIGO a jejich závěry jednoznačně naznačují, že tyto exotické objekty skutečně existují – a mají konkrétní signál označený jako S251112cm.
Astrofyzici porovnali předpokládanou četnost výskytu takových objektů s reálnými daty sbíranými od roku 2015. Vzácnost tohoto signálu přesně odpovídá teoretickým modelům pro primordiální černé díry – objevuje se právě tak sporadicky, jak by měl.
Čtyři klíčové vlastnosti signálu S251112cm
- Hmotnost objektu nižší než jedna sluneční hmotnost
- Frekvence výskytu odpovídající teoretickým předpovědím
- Tvar gravitační vlny odlišný od standardních kolizí
- Absence elektromagnetického záření typického pro hvězdné černé díry
- Konzistence s modely rané inflační fáze vesmíru
- Nízký poměr signálu k šumu vyžadující sofistikovanou analýzu
Jak LIGO naslouchá vesmíru prostřednictvím gravitačních vln
Za celým objevem stojí observatoř LIGO – americké zařízení, které měří mikroskopické vibrace samotného prostoru vznikající při srážkách extrémně hmotných objektů. V roce 2015 LIGO poprvé zachytilo signál z kolize dvou černých děr, což přineslo revoluci v astronomii hodnou Nobelovy ceny.
Tentokrát tentýž přístroj zaznamená něco mnohem subtilnějšího. Laboratoře v Hanfordu a Livingstonu pracují s laserovými interferometry s rameny dlouhými čtyři kilometry. Díky tomu jsou schopné sledovat nejen spektakulární srážky masivních černých děr, ale i mnohem lehčí a vzácnější objekty skryté v šumu dat.
Jeden signál ovšem nestačí k definitivnímu závěru. Astrofyzici otevřeně přiznávají, že pro silné potvrzení potřebují nejméně deset podobných událostí. Přesto i samotná schopnost detekovat takový signál otvírá zcela novou oblast výzkumu.
Mohly by primordiální černé díry tvořit temnou hmotu vesmíru?
Příběh tím nekončí. Pokud signál skutečně pochází od primordiální černé díry, dotýkáme se problému, s nímž fyzici zápasí už celé desetiletí – temné hmoty.
Z pozorování pohybů hvězd a galaxií vyplývá, že ve vesmíru chybí obrovské množství hmoty. Vše viditelné – hvězdy, planety, plyn i prach – tvoří pouhých přibližně patnáct procent toho, co je nezbytné k vysvětlení gravitačního chování vesmíru. Zbytek tvoří neviditelná hmota, která nesvítí ani neodráží světlo, avšak gravitačně přitahuje okolní objekty.
Jedna z hypotéz předpokládá, že značnou část této chybějící hmoty mohou tvořit právě primordiální černé díry – rozptýlené v prostoru jako neviditelné kuličky hmoty. Pokud LIGO začíná takové objekty skutečně registrovat, neznamená to jen vědeckou kuriozitu. Vědci získávají nástroj k jejich sčítání a odhadování celkové hmotnosti. Každá další detekovaná událost pomůže odpovědět na otázku, zda primordiální černé díry mohou být sladěny s pozorováními galaxií, kup nebo kosmického mikrovlnného záření.
Co si představit pod pojmem „tak malá černá díra“
Černá díra lehčí než Slunce zní abstraktně. Zkusme si ji tedy přiblížit. Primordiální černá díra s hmotností velkého asteroidu by měla průměr srovnatelný s fotbalovým míčem, možná i menší. A přesto by její gravitace daleko přesáhla gravitaci celé hory a v blízkosti horizontu událostí by neunikl ani jediný paprsek světla.
Takové objekty jsou klasickými teleskopy prakticky nezjistitelné. Nesvítí, světlo neodráží. Prozradit se mohou jen gravitačním ohybem paprsků procházejících za nimi, nebo – jako v tomto případě – gravitačními vlnami při srážce s jiným tělesem. Horizont událostí takové černé díry by měl průměr v řádu centimetrů až metrů. Hustota by dosahovala hodnot srovnatelných s atomovým jádrem. Objekt o hmotnosti poloviny Slunce by se přitom vešel do koule o velikosti Prahy.
LISA a příští generace detektorů gravitačních vln
LIGO není jediným přístrojem na obzoru. Evropská kosmická agentura vyvíjí projekt LISA – kosmický detektor gravitačních vln tvořený třemi satelity, které budou obíhat kolem Slunce v podobě gigantického trojúhelníkového interferometru. Start je plánován na polovinu třicátých let tohoto století.
LISA bude citlivá na odlišný rozsah frekvencí než LIGO, takže zachytí zcela nové typy zdrojů. Pro primordiální černé díry to může znamenat průlom – zejména ty existující v párech mohou generovat vlny přesně odpovídající citlivosti kosmického interferometru. Ramena tohoto přístroje budou dlouhá dva a půl milionu kilometrů. Testovací satelit LISA Pathfinder již úspěšně dokončil ověřovací misi.
Co jeden netypický objev mění pro budoucnost výzkumu
Ačkoliv signál S251112cm stále čeká na potvrzení, už nyní ovlivňuje to, jak vědci plánují další výzkum. Začíná systematická analýza archivních dat s ohledem na podobné, dříve přehlédnuté události. Teoretické týmy dopracovávají modely předpovídající, jak by měly vypadat srážky primordiálních černých děr různých hmotností.
Pro nás, běžné pozorovatele, celý příběh ukazuje, jak rychle se astronomie proměňuje. Ještě před deseti lety byly gravitační vlny pouhou abstrakcí z Einsteinových rovnic. Dnes se stávají nástrojem ke zkoumání nejranějších etap dějin vesmíru – těch, které žádný optický ani rádiový teleskop nikdy neodhalí.
Pokud příští roky přinesou více podobných signálů, pojmy jako primordiální černá díra nebo temná hmota přestanou znít jako čistá teorie. Stanou se 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 měřitelnější odpovědi.
