Gravitační vlny zaznamenaly srážku objektu lehčího než naše Slunce. Tak malá černá díra nemůže vzniknout kolapsem hvězdy – a právě to vědce přivádí k překvapivému závěru: mohla se zrodit pouhé mikrosekundy po Velkém třesku.
Když tým kolaborace LIGO–Virgo–Kagra rozebíral signál označený S251112cm, narazil na něco nevysvětlitelného. Jeden ze srážejících se objektů měl hmotnost menší než Slunce, což klasická astrofyzika nedokáže vysvětlit. Žádný známý model hvězdného vývoje vznik takto lehké černé díry nepřipouští. Část vědců proto dnes mluví o prvním možném důkazu existence praprvobytnné černé díry, která se utvořila v nejranějších okamžicích vesmíru.
Tato událost má potenciál přepsat učebnice kosmologie. Pokud se interpretace potvrdí, získáme přímý pohled do epoch vesmíru, které byly dosud zcela nedostupné pozorování. Vědci Nico Cappelluti a Alberto Magaraggia z italských univerzit zveřejnili analýzu naznačující, že pozorovaný objekt vznikl v éře kvantové chromodynamiky – pouhé mikrosekundy po Velkém třesku.
Gravitační astronomie otevřela nové okno do vesmíru teprve před několika lety. Dnes detektory zachycují desítky srážek ročně a každý nový signál může přinést překvapení srovnatelné s událostí S251112cm. Základní otázky o původu vesmíru se přesouvají ze světa spekulací do oblasti měřitelných dat.
Co odhalil záhadný signál gravitačních vln?
Vše začalo standardní detekcí gravitačních vln sítí observatoří LIGO, Virgo a japonského detektoru Kagra. Tyto obrovské interferometry měří nepatrné změny vzdálenosti mezi zrcadly způsobené průchodem gravitačních vln přes Zemi. Většina zachycených signálů pochází ze srážek černých děr s hmotností desítek slunečních hmot.
Tentokrát ale analýza události S251112cm ukázala něco výjimečného. Jeden ze dvou splývajících objektů měl hmotnost přibližně od jedné desetiny do necelé jedné sluneční hmotnosti. Takto lehký objekt jednoduše nezapadá do rámce žádného známého procesu hvězdné evoluce.
Vědci okamžitě prověřili tradiční vysvětlení. Kdyby signál pocházel ze srážky neutronových hvězd nebo bílých trpaslíků, muselo by se projevit i světelné záření – v gama oboru, rentgenovém spektru nebo alespoň v optickém pásmu. Žádný doprovodný záblesk se však nenašel. Ve hře tak zůstal výrazně exotičtější scénář.
Členové kolaborace zdůrazňují, že pravděpodobnost hmotnosti nižší než jedna sluneční hmotnost přesahuje 99 procent. Tento statistický údaj dává hypotéze o praprvobytnné černé díře pevný základ, byť ještě ne definitivní potvrzení.
Jak může černá díra vážit méně než Slunce?
Objekty o hmotnosti blízké Slunci, které známe z astronomických katalogů, jsou zpravidla velmi husté neutronové hvězdy. Typická černá díra vzniklá kolapsem masivní hvězdy je ale podstatně těžší – podle současných modelů musí mít minimálně kolem tří slunečních hmot. Pro objekt o hmotnosti přibližně 0,87 sluneční hmotnosti vycházejí rozměry srovnatelné s větším českým městem.
Průměr takové časoprostorové pasti by činil přibližně pět kilometrů – vzdálenost, kterou pokojně přeběhnete za půl hodiny. A přitom se bavíme o zabalení téměř celé hmotnosti Slunce do tohoto měřítka. Aby něco takového vůbec vzniklo, potřebujete podmínky, které žádný známý hvězdný proces nedokáže zajistit.
Astrofyzikové jsou zajedno: fyzika klasické hvězdné evoluce vznik černé díry s takto nízkou hmotností prostým kolapsem hvězdného jádra neumožňuje. Hvězdy s malou hmotností končí jako bílí trpaslíci, masivnější tvoří neutronové hvězdy nebo černé díry nad třemi slunečními hmotami. Objekt S251112cm do této posloupnosti prostě nezapadá.
Doktorka Lisa Barsotti z MIT, členka týmu LIGO, připomíná, že detektory dnes dosahují citlivosti umožňující zachytit změny kratší než tisícina průměru protonu. Právě tato technická dokonalost interferometrů otevírá cestu k objevování objektů, o nichž v katalozích zatím není ani zmínka.
Stopa z prvních mikrosekund po Velkém třesku
Autoři nové analýzy Cappelluti a Magaraggia proto obrátili pohled mnohem dál do minulosti – do doby, kdy byl vesmír starý méně než milioninu sekundy. V tomto období se hmota chovala zcela jinak než dnes: dominovalo kvarko–gluonové plazma a hustoty i teploty dosahovaly nepředstavitelných hodnot.
Už v sedmdesátých letech teoretičtí fyzikové včetně Stephena Hawkinga předpovídali, že lokální fluktuace hustoty v takovém prostředí mohly kolabovat pod vlastní tíhou a vytvářet celé populace miniaturních černých děr. Ty dostaly název praprvobytnné černé díry. Tým navrhuje, že zkoumaný objekt mohl vzniknout právě v éře kvantové chromodynamiky, několik mikrosekund po Velkém třesku.
Pokud je tento scénář správný, signál S251112cm by představoval první hmatatelný důkaz, že tato tělesa přežila dodnes. Znamenalo by to, že vesmír začal produkovat černé díry již ve svých prvních okamžicích – a to v množství, o němž se dosud hovořilo jen v rovnicích. Profesor Bernard Carr z Queen Mary University of London, jeden z průkopníků hypotézy praprvobytnných černých děr, by tímto objevem dočkal potvrzení desetiletí teoretické práce.
Vědci dnes pracují s daty ze čtyř pozorovacích běhů detektorů. Citlivost přístrojů každým rokem roste a s ní i šance na zachycení dalších podobných událostí. Pro kosmology by série potvrzených sub-slunečních černých děr otevřela okno do období vesmíru, které předchází éře rekombinace a vzniku reliktního záření.
Mohla by být temná hmota mořem praprvobytnných černých děr?
Celá skládanka se stává ještě fascinující ve chvíli, kdy badatelé propojí tohoto kandidáta na praprvobytnnou černou díru s problémem temné hmoty. Víme již desetiletí, že viditelná hmota – hvězdy, plyn, prach – tvoří jen nepatrný zlomek kosmické hmotnostní bilance. Přibližně 85 procent představuje neviditelná složka projevující se výhradně gravitací.
Mnohé vědecké skupiny dosud hledaly částice zodpovědné za tuto chybějící složku, například WIMP detekovatelné v podzemních laboratořích. Hledání zatím nepřineslo jednoznačný úspěch, což otevřelo dveře alternativním myšlenkám. Pokud praprvobytnné černé díry existují v dostatečném počtu a rozsahu hmotností, mohou tvořit podstatnou část – možná dokonce celou – temné hmoty.
Nová analýza naznačuje, že detekovaný objekt do takového scénáře zapadá. Jeho hmotnostní signatura souhlasí s předpověďmi některých modelů populace praprvobytnných černých děr. V tomto obrazu by temná hmota nebyla tvořena exotickými částicemi, ale nesčetnými černými děrami roztroušenými po celém vesmíru od jeho nejranějších okamžiků.
Výzkumný tým z Milána a Říma využil simulace formování struktur ve vesmíru. Výsledky ukazují, že populace sub-slunečních černých děr by mohla vysvětlit pozorované rozložení hmoty v galaxiích, aniž by bylo nutné zavádět nové fundamentální částice. Doktor Juan García-Bellido z Autonomní univerzity v Madridu publikoval studii modelující podíl praprvobytnných černých děr různých hmotností na celkové temné hmotě.
- Pravděpodobnost hmotnosti pod jednu sluneční hmotnost přesahuje 99 procent
- Průměr takové černé díry by činil přibližně pět kilometrů
- Objekt při srážce nevydal žádnou světelnou stopu
- Neutronové hvězdy i bílí trpaslíci by elektromagnetický signál zanechali
- Detektory LIGO a Virgo měří změny menší než tisícina průměru protonu
- Kvarko-gluonové plazma dominovalo vesmíru v prvních mikrosekundách
- Stephen Hawking předpověděl praprvobytnné černé díry již v roce 1974
- Temná hmota tvoří přibližně 85 procent veškeré hmoty ve vesmíru
Jak vlastně funguje detektor gravitačních vln?
Abyste lépe pochopili váhu zachyceného signálu, stojí za to vědět, co LIGO nebo Virgo přesně měří. Jde o zařízení, kde laserový paprsek putuje dvěma kolmými rameny a odráží se od zrcadel vzdálených několik kilometrů. Když detektorem projde gravitační vlna, jednu osu mírně stlačí a druhou natáhne.
Změna délky ramen je menší než zlomek průměru protonu, ale pokročilá interferometrická technika ji dokáže zachytit. Z tvaru zaznamenaného „cvrlikání“ gravitačních vln vědci vyčtou hmotnosti, vzdálenost i typ srážejících se objektů. V případě S251112cm všechny tyto prvky ukazovaly na systém, jehož jeden účastník má neobvykle nízkou hmotnost.
Doba trvání signálu prozrazuje hmotnosti obou těles, amplituda se překládá do vzdálenosti zdroje a konečná frekvence dovoluje odhadnout hmotnost vzniklého objektu. Absence jakéhokoli světelného signálu pak pomáhá vyloučit neutronové hvězdy – a právě tento detail vzbudil mimořádný zájem astrofyziků.
Vědci z observatoře LIGO v Hanfordu ve státě Washington a jejich kolegové z observatoře Virgo u Pisy koordinují analýzu dat ze čtyř dosavadních pozorovacích běhů. Japonský detektor Kagra u města Hida se připojil v posledním běhu a zvyšuje přesnost lokalizace zdrojů na obloze.
Co by změnilo potvrzení praprvobytnných černých děr?
Pokud další pozorování podpoří interpretaci Cappellutiho a Magaraggii, čeká nás celá řada zásadních důsledků. Kosmologie získá nástroj ke studiu ultraraných epoch vesmíru – podstatně dřívějších než období, z nějž pochází reliktní záření. Praprvobytnné černé díry by působily jako sondy nesoucí vzpomínku na podmínky panující v prvních mikrosekundách existence vesmíru.
Teorie formování galaxií by si rovněž vyžádala korekci. Dodatečná populace hustých kompaktních objektů mění způsob, jakým se hromadí hmota, jak rostou haló temné hmoty a jak se tvarují první hvězdy. Pro fyziky částic by to byl důležitý signál, že hledání exotických částic možná supluje roli, kterou ve skutečnosti hrají černé díry.
Druhý nebo třetí signál s podobnými parametry by mohl proměnit lákavou hypotézu v novou kapitolu kosmologie. Profesor Tomasz Bulik z Varšavské univerzity poznamenává, že statistická výpovědní hodnota jediného případu je zajímavá, ale série podobných detekcí by znamenala revoluci v chápání raného vesmíru.
Pro laickou představu si to lze přiblížit takto: představte si hrnec vařící polévky, v níž neustále vznikají a zanikají bubliny. Ve velmi raném vesmíru byly takovými „bublinami“ lokální zahuštěniny hmoty. Většina z nich se rozplynula s rozpínáním vesmíru, ale některé byly natolik husté, že samy sebe stáhly do kolapsu a vytvořily černé díry. Během miliard let tyto objekty kroužily téměř neviditelně mezi galaxiemi i uvnitř nich a příležitostně se srážely. Právě při těchto vzácných srážkách vyzařují gravitační vlny, které dnes zachycují pozemské detektory.
