Umělecký dojem dvou srážejících se černých děr.Kredit: Carol & Mike Werner/Visuals Unlimited, INC./Science Photo Library
Astronomové pomocí gravitačních vln detekovali dosud nejsilnější, nejvzdálenější a nejproblematičtější srážku černých děr. Ze dvou behemotů, které se spojily v době, kdy byl vesmír o polovinu mladší než dnes, má přinejmenším jedna – o hmotnosti 85krát větší než Slunce – hmotnost, která byla považována za příliš velkou na to, aby se mohla takové události zúčastnit. A podle odhadů vědců vznikla při splynutí černá díra o hmotnosti téměř 150 hmotností Slunce, což ji řadí do oblasti, kde dosud žádná černá díra nebyla přesvědčivě pozorována.
„Všechno na tomto objevu je ohromující,“ říká Simon Portegies Zwart, počítačový astrofyzik z Leidenské univerzity v Nizozemsku. Zejména podle něj potvrzuje existenci černých děr „střední hmotnosti“: objektů mnohem hmotnějších než typická hvězda, ale ne tak velkých jako supermasivní černé díry, které obývají centra galaxií.
Ilya Mandel, teoretický astrofyzik na Monash University v australském Melbourne, označuje objev za „úžasně nečekaný“.
Událost, popsanou ve dvou článcích publikovaných 2. září1,2 , zachytilo 21. května 2019 dvojče detektorů Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ve Spojených státech a menší observatoř Virgo poblíž italské Pisy. Podle data detekce byl pojmenován GW190521.
Zakázané hmoty
Od roku 2015 poskytly observatoře LIGO a Virgo díky snímání gravitačních vln nové poznatky o vesmíru. Tyto vlny ve struktuře časoprostoru mohou odhalit události, jako je například splynutí černých děr, které by za normálních okolností nebyly běžnými teleskopy viditelné.
Na základě vlastností gravitačních vln, například toho, jak se mění jejich výška, mohou astrofyzici odhadnout velikosti a další vlastnosti objektů, které je vyvolaly, když do sebe spirálovitě narážely. To způsobilo revoluci ve studiu černých děr a poskytlo přímé důkazy o existenci desítek těchto objektů, jejichž hmotnost se pohybuje od několika do přibližně padesátinásobku hmotnosti Slunce.
Tyto hmotnosti odpovídají černým dírám, které vznikly „konvenčním“ způsobem – když velmi velké hvězdě dojde palivo ke spalování a zhroutí se pod vlastní vahou. Konvenční teorie však říká, že při hvězdném kolapsu by neměly vznikat černé díry o hmotnosti přibližně 65 až 120 hmotností Slunce. To proto, že ke konci svého života se hvězdy v určitém rozmezí velikostí ve svých centrech rozžhaví natolik, že začnou přeměňovat fotony na dvojice částic a antičástic – jev se nazývá párová nestabilita. To spustí explozivní fúzi jader kyslíku, která roztrhá hvězdu na kusy a zcela ji rozloží.
Detektory LIGO a Virgo při svém nejnovějším objevu zaznamenaly pouze poslední čtyři vlnění produkované spirálujícími černými dírami s frekvencí, která během jedné desetiny sekundy vzrostla z 30 na 80 Hertzů. Zatímco relativně menší černé díry pokračují v „cvrlikání“ až do vyšších frekvencí, velmi velké černé díry se spojují dříve a sotva se dostanou do dolní části frekvenčního pásma, na které jsou detektory citlivé.
V tomto případě byla hmotnost obou objektů odhadnuta na přibližně 85 a 66 hmotností Slunce. „To je docela přesně v rozmezí, kde bychom očekávali, že by měla být mezera hmotností párové nestability,“ říká astrofyzik LIGO Christopher Berry z Northwestern University v Evanstonu ve státě Illinois.
Selma de Mink, astrofyzička z Harvardovy univerzity v Cambridge ve státě Massachusetts, klade hranici párové nestability ještě níže, možná na 45 hmotností Slunce, což by lehčí z obou objektů rovněž posunulo pevně do zakázané zóny. „Pro mě jsou obě černé díry nepříjemně hmotné,“ říká.
Nekonvenční černé díry
Pro vysvětlení svých pozorování zvažovali vědci z LIGO řadu možností, včetně toho, že černé díry existují od počátku věků. Již desítky let se vědci domnívají, že takové „primordiální“ černé díry mohly spontánně vzniknout v širokém rozmezí velikostí krátce po velkém třesku.
Hlavním scénářem, o kterém tým uvažoval, je, že černé díry se staly tak velkými, protože samy byly výsledkem dřívějšího splynutí černých děr. Černé díry vzniklé v důsledku hvězdného kolapsu by se měly hemžit uvnitř hustých hvězdokup a v principu by mohly procházet opakovanými fúzemi. Ale i tento scénář je problematický, protože po prvním sloučení by výsledná černá díra měla obvykle dostat kopanec od gravitačních vln a vyvrhnout se z hvězdokupy. Pouze ve vzácných případech by černá díra zůstala v oblasti, kde by mohla podstoupit další splynutí.
Podle de Minka by opakovaná splynutí byla pravděpodobnější, pokud by černé díry obývaly přeplněnou centrální oblast své galaxie, kde je gravitace dostatečně silná na to, aby zabránila odraženému objektu vystřelit ven.
Není známo, ve které galaxii ke sloučení došlo. Přibližně ve stejné oblasti oblohy však tým vědců spatřil kvazar – extrémně jasné galaktické centrum poháněné supermasivní černou dírou – procházející vzplanutím zhruba měsíc po GW1905213. Vzplanutí mohlo být rázovou vlnou v horkém plynu kvasaru, kterou vyvolala couvající černá díra, ačkoli mnozí astronomové jsou opatrní v tom, aby připustili, že tyto dva jevy spolu souvisejí.
Je to letos podruhé, co se kolaborace LIGO-Virgo vydala do oblasti „zakázaných“ hmotností: v červnu popsali splynutí zahrnující objekt o hmotnosti asi 2,6 hmotnosti Slunce – obvykle považovaný za příliš lehký na to, aby byl černou dírou, ale příliš hmotný na to, aby byl neutronovou hvězdou4.
.