Záhadný signál z vesmíru, který nesedí do žádné škatulky
Detektory gravitačních vln LIGO, Virgo a Kagra zaznamenaly něco neobvyklého. Zachycený signál naznačuje, že se srážky účastnil objekt lehčí než naše Slunce – a to je příliš malé na to, aby šlo o klasickou černou díru.
Takový výsledek jednoduše nezapadá do standardních modelů hvězdného vývoje. Čím dál hlasitěji se proto ozývá jedna lákavá myšlenka: mohlo by jít o první zaznamenanou stopu takzvané primordiální černé díry, která se zrodila v samých počátcích vesmíru.
Signál, který vědce zaskočil
Výzkumníci pracující s detektory gravitačních vln dnes sledují desítky kosmických událostí ročně. Většinou se jedná o srážky černých děr nebo neutronových hvězd s hmotností pohybující se od několika do desítek slunečních hmotností. V únoru letošního roku však narazili na něco jiného.
Jeden z objektů zapojených do srážky měl hmotnost pouhých 0,1 až 0,87 násobku hmotnosti Slunce. Tak lehká černá díra vzniklá klasickým hvězdným kolapsem prostě mezi astronomy nikdo nečekal.
Proč to nemůže být neutronová hvězda ani bílý trpaslík
Vědci samozřejmě jako první prověřili běžnější vysvětlení. Mohlo by jít o neutronovou hvězdu nebo bílého trpaslíka? Jenže kolize těchto objektů obvykle doprovází záblesk elektromagnetického záření – gama paprsky, rentgenové světlo nebo dlouhodobý dosvit ve viditelném spektru.
Tentokrát teleskopy nezachytily vůbec nic. Zůstaly jen gravitační vlny, přesně jako u typické srážky dvou černých děr.
Proč běžná hvězda nemůže stvořit tak malou černou díru
Vznik klasické černé díry vyžaduje dramatický konec masivní hvězdy. Jádro se zhroutí pod vlastní tíhou, zatímco vnější vrstvy jsou vymrštěny ve výbuchu supernovy. Fyzika takového kolapsu ale stanovuje pevnou spodní hranici hmotnosti výsledné černé díry.
Tato hranice činí přibližně tři sluneční hmotnosti. Běžné hvězdné černé díry se pak pohybují v rozmezí od několika do desítek slunečních hmotností. Událost označená jako S251112cm však ukazuje na objekt s hmotností nižší než jedna sluneční hmotnost – a to s pravděpodobností přesahující 99 procent.
Závěr je jasný: žádná běžná hvězda nedokáže vytvořit černou díru tak malou. Pokud za signálem skutečně stojí miniaturní černá díra, musela vzniknout úplně odlišným způsobem.
Pradávné černé díry podle Stephena Hawkinga
Právě zde přicházejí na scénu primordiální černé díry, o nichž teoretizoval mimo jiné Stephen Hawking. Na rozdíl od klasických nevznikají z hvězd. Jejich původ sahá do zlomků sekund po Velkém třesku.
V ultramladém vesmíru panovaly nepředstavitelné teploty a hustoty, provázené prudkými fluktuacemi v rozložení hmoty. Na některých místech se hmota nahromadila tak hustě, že se lokální gravitační kopec zhroutil sám od sebe – bez jakékoli hvězdy. Vědci předpokládají, že zkoumaný objekt mohl vzniknout během fáze spojené s kvantovou chromodynamikou, pouhé mikrosekundy po počátku vesmíru, v epoše, kdy hvězdy ještě vůbec neexistovaly.
Pokud je tato interpretace správná, síť LVK možná poprvé zachytila signál ze srážky právě takové pradávné černé díry s jiným vesmírným tělesem. Gravitační vlny se tak stávají nástrojem nejen ke studiu exotických hvězd, ale také nejranějších okamžiků existence vesmíru.
Černá díra velikosti města
Co vlastně znamená černá díra s hmotností 0,87 sluneční hmotnosti? Číslo samo o sobě nevyznívá nijak dramaticky – dokud se nepodíváte na její rozměr. Takový objekt by byl extrémně kompaktní, s průměrem přibližně pěti kilometrů.
Představte si hmotu srovnatelnou se Sluncem, nacpanou do oblasti zhruba velikosti středně velkého města. Tak krajní hustotní podmínky se jeví jako možné jedině v době těsně po Velkém třesku, kdy hmota procházela bouřlivými fázovými přeměnami. Právě objekty těchto parametrů předpovídají teoretické výpočty zabývající se velmi ranou kosmologií.
Astronomy zajímá i to, jak se takové miničerné díry chovaly v průběhu miliard let. Některé mohly pohlcovat okolní hmotu a postupně růst, jiné zůstaly osamocené a prakticky nezměněné. V každém případě by dnes měly být rozptýleny po celém vesmíru.
Temná hmota jako oblak miničerných děr
Pokud se interpretace signálu S251112cm potvrdí, důsledky daleko přesáhnou pouhou klasifikaci kuriózního objektu. Do hry vstupuje jedna z největších záhad moderní fyziky – podstata temné hmoty.
Astronomové dlouho vědí, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří jen malou část kosmické skládanky. Na chování galaxií, galaktických kup a velkých kosmických struktur působí navíc nějaká hmota, kterou nelze zachytit v žádné části elektromagnetického spektra. Říkají jí temná hmota.
Po desítky let se fyzici pokoušeli najít hypotetické nové částice – od slavných WIMP až po exotické lehké bosony. Jeden pokus za druhým v podzemních detektorech částic však skončil mlčením. V tomto kontextu začínají miničerné díry znít jako stále přesvědčivější alternativa. Analýza naznačuje, že primordiální černé díry by při odpovídajícím počtu a rozložení hmotností mohly vysvětlit významnou část, nebo dokonce veškerou temnou hmotu – aniž by bylo třeba zavádět zcela nové elementární částice.
V takovém scénáři by byl vesmír plný drobných černých děr, nenápadně rozmístěných v halo galaxií a mezigalaktickém prostoru. V každodenním životě by zůstaly prakticky neviditelné, ale jejich společný gravitační vliv by vysvětloval chování galaxií, které astronomové pozorují.
Vědci brzdí nadšení – zatím jde o silného kandidáta
Přes znatelné vzrušení ve vědecké komunitě si badatelé zachovávají obezřetnost. Analýza zveřejněná v prestižní databázi a přihlášená do odborného časopisu zatím prochází procesem recenze. Vědci záměrně mluví pouze o „kandidátovi“ na primordiální černou díru.
Stále je nutné ověřit, zda signál nelze vysvětlit jinak – například složitými interakcemi v extrémně hustých hvězdokupách. V takových prostředích mohou obíhající tělesa tvořit vícenásobné systémy, kde série srážek a záchytů generují komplikované gravitační vlny.
Prozatím přitom všechno nasvědčuje tomu, že interpretace primordiální černé díry je nejjednodušší a datům nejlépe odpovídající. Fyzici ale potřebují jeden klíčový prvek navíc: opakování. Pokud detektory LVK během probíhající kampaně zaznamenají druhý podobný signál s objektem pod hmotností Slunce, hypotéza primordiálních černých děr získá úplně jinou váhu.
Jak fungují detektory LIGO, Virgo a Kagra
Gravitační vlny jsou nepatrná zvlnění ve struktuře samotného časoprostoru. K jejich zachycení vědci postavili obří interferometry – přístroje měřící miniaturní změny vzdálenosti mezi zrcadly umístěnými v tunelech dlouhých několik kilometrů.
Když gravitační vlna projde Zemí, jemně zkrátí jedno rameno interferometru a prodlouží druhé. Tato změna je menší než průměr protonu, přesto ji citlivá aparatura dokáže zaregistrovat.
- LIGO – dva detektory v USA, které jako první zaznamenaly gravitační vlny v roce 2015
- Virgo – evropský interferometr zvyšující přesnost lokalizace zdrojů na obloze
- Kagra – japonský detektor chlazený na velmi nízké teploty, umístěný v tunelu pod horou
- Síť detektorů umožňuje triangulaci a přesné určení polohy zdroje signálu
- Každý detektor využívá lasery a soustavu zrcadel v ultračistém vakuu
- Seismická izolace chrání přístroje před vibracemi ze zemského povrchu
- Systémy aktivního tlumení kompenzují mikrotřesy z dopravy i přírodních procesů
- Data zpracovávají superpočítače schopné vyhodnotit miliony parametrů najednou
Díky spolupráci těchto tří přístrojů vědci nejen měří tvar vln, ale také rekonstruují vlastnosti objektů, které je vyvolaly – jejich hmotnost, vzdálenost i rotaci. Právě tato metoda umožnila zjistit, že v události S251112cm se účastnil objekt s hmotností nižší než Slunce.
Co vlastně gravitační vlna je
Ve velkém zjednodušení ji lze přirovnat k vlně na vodní hladině – jenže se nešíří ve vodě, ale v samotné struktuře prostoru. Když obrovské hmoty, například černé díry, krouží kolem sebe a srazí se, „rozvlní“ časoprostor tak intenzivně, že efekt této bouře doputuje miliardy světelných let daleko.
Detektory nezaznamenávají obraz objektu, pouze přesný záznam toho, jak se mění délka ramen interferometru. Na základě této křivky pak počítač přizpůsobuje nejlepší model srážky a z něj vytahuje informace o hmotnostech i typu zúčastněných těles.
Gravitační vlny navíc procházejí hmotou prakticky bez jakékoli interakce, na rozdíl od elektromagnetického záření. Proto přinášejí informace o událostech, které by jinak zůstaly navždy skryté – například o tom, co se děje uvnitř srážejících se černých děr nebo v prvních okamžicích po Velkém třesku.
Co dál – hon na další miničerné díry a důsledky pro fyziku
Pokud interpretace primordiální černé díry odolá vědecké kritice, lze v příštích letech očekávat vlnu nových výzkumů. Astronomové budou prohledávat archivy dat z předchozích kampaní LVK a hledat přehlédnuté signály s objekty pod hmotností Slunce.
Paralelně začnou teoretici přizpůsobovat modely vzniku primordiálních černých děr novým omezením: jak často mohly vznikat, jakou typickou hmotnost mají a zda jejich populace skutečně vysvětluje temnou hmotu. To si vyžádá zásadní revizi scénářů vývoje mladého vesmíru včetně fází velmi raných přeměn hmoty.
Pro laiky může celé téma znít abstraktně, ale dopady by byly překvapivě konkrétní. Pokud by se ukázalo, že temná hmota je prostě mračno miničerných děr, změnilo by to plánování budoucích kosmických misí, předpovědi signálů v neutrinových detektorech i návrhy experimentů s elementárními částicemi. Část plánovaných nákladných zařízení by mohla ztratit opodstatnění, zatímco astronomie gravitačních vln by se dostala do úplně jiného světla.
Každý další zaznamenaný signál s tak malými černými dírami navíc poskytuje příležitost testovat teorii gravitace v extrémním režimu. To může ukázat, kde hledat novou fyziku přesahující obecnou teorii relativity a standardní model částic – a možná právě odtud vzejdou technologie, které za desetiletí proniknou do běžného života.
