Vedci vyriešili záhadu najbizarnejšieho signálu, ktorý zachytili. Pomohol Einstein, teraz čelia novej dileme

Astrofyzici zrejme konečne našli kľúč k rozlúšteniu jedného z najbizarnejších signálov, aké kedy zachytili naše detektory. V novembri 2023 zaznamenalo observatórium LIGO gravitačné vlny z kolízie dvoch gigantických čiernych dier, ktoré podľa súčasných modelov hviezdneho vývoja jednoducho nemali existovať. Signál označený ako GW231123 vyvolal v odbornej komunite poriadny rozruch, pretože objekty s takouto hmotnosťou sa nachádzajú v zakázanom pásme.

Nová štúdia publikovaná v prestížnom časopise The Astrophysical Journal Letters teraz prichádza s prekvapivým vysvetlením. Zvlnenie časopriestoru k nám neletelo priamo, ale prešlo cez fenomén známy ako gravitačná šošovka. Táto kozmická lupa signál zosilnila a vytvorila ilúziu, že objekty boli oveľa ťažšie, než bola realita. Pokrok v teoretickej fyzike tak opäť posúva hranice nášho poznania podobne dramaticky, ako keď inžinieri posúvajú limity pri vývoji fúznych reaktorov novej generácie.

Hoci sa týmto elegantným riešením odstraňuje rozpor s platnými fyzikálnymi zákonmi, pred vedcami sa okamžite vynoril ďalší a možno ešte väčší problém. Ak signál skutočne zosilnila gravitačná šošovka, musel ju vytvoriť objekt s veľmi špecifickými vlastnosťami, po ktorom zatiaľ vo vesmíre niet ani stopy.

Kolízia, ktorá popierala známu fyziku

Keď observatórium LIGO pred vyše rokom zachytilo signál GW231123, prvé výpočty ukazovali na zrážku dvoch čiernych dier s hmotnosťami 100 a 130 hmotností Slnka. Ich spojením vzniklo monštrum s celkovou hmotnosťou približne 230-násobku nášho Slnka. Pre astrofyzikov išlo o studenú sprchu, pretože tieto čísla priamo narážajú na takzvanú hmotnostnú medzeru (mass gap).

Čierne diery vznikajúce kolapsom bežných masívnych hviezd totiž podľa teórie nemôžu prekročiť určitú hranicu. Hviezdy s počiatočnou hmotnosťou v určitom rozmedzí totiž pred svojou smrťou prejdú procesom nestability párov, pri ktorom ich termonukleárny výbuch úplne roztrhá a nezanechá po sebe žiadny kompaktný zvyšok. Vznik objektu s hmotnosťou okolo 100 až 130 Sĺnk priamym kolapsom hviezdy je preto v štandardnom modeli prakticky vylúčený.

K tomu sa pridal aj fakt, že obe čierne diery pred samotným splynutím rotovali mimoriadne vysokou rýchlosťou, čo celú udalosť robilo ešte podozrivejšou. Vedci preto začali horúčkovito hľadať alternatívne scenáre, ktoré by pozorované anomálie dokázali objasniť bez nutnosti prepisovať základné učebnice astrofyziky.

Kozmická lupa podľa Alberta Einsteina

Riešenie paradoxu ponúkla všeobecná teória relativity, ktorú v roku 1915 sformuloval Albert Einstein. Podľa nej mimoriadne ťažké objekty svojou gravitáciou zakrivujú samotnú štruktúru časopriestoru. Keď popri takomto objekte prechádza žiarenie alebo akékoľvek vlnenie, jeho dráha sa ohne, rozptýli alebo zosilní, rovnako ako pri prechode cez klasickú sklenenú šošovku.

Tento jav dôverne poznáme pri svetle vzdialených galaxií a kvazarov, kde vytvára úchvatné optické úkazy ako Einsteinove prstence či kríže. Až doteraz však výskumníci nemali žiadny reálny dôkaz o tom, že by rovnakým spôsobom mohli byť zakrivené a zväčšené aj samotné gravitačné vlny, ktoré predstavujú priame vlnenie tkaniva časopriestoru.

Astrofyzici z nemeckého Inštitútu Maxa Plancka pre gravitačnú fyziku vytvorili podrobné počítačové modely, ktoré simulovali správanie gravitačných vĺn prechádzajúcich gravitačným poľom vloženého objektu. Výsledky ukázali, že šošovkovanie dokáže frekvenciu aj amplitúdu vĺn zmeniť takým spôsobom, že pri detekcii na Zemi pôsobia pôvodcovia signálu oveľa mohutnejšie.

Skutočná hmotnosť je oveľa menšia

Ak model šošovkovania aplikujeme na udalosť GW231123, celkový obraz sa radikálne zmení. Namiesto monštruóznej 230-slnečnej singularity vznikla splynutím čierna diera s reálnou hmotnosťou okolo 140 hmotností Slnka. Jednotlivé rodičovské čierne diery tak boli výrazne ľahšie a bez problémov zapadajú do povolených limitov hviezdneho kolapsu.

Tento model zároveň elegantne rieši aj otázku záhadne vysokej rotácie, ktorú pôvodné dáta ukazovali. Šošovkovanie totiž skresľuje vnímanie fázového posunu vĺn, takže čierne diery v skutočnosti rotovali celkom bežným tempom. Navyše to znamená, že samotná zrážka sa odohrala v oveľa väčšej vzdialenosti, než sa pôvodne predpokladalo.

Napriek matematickej elegancii však výskumníci zostávajú opatrní. Celý scenár je nateraz postavený na teoretických kalkuláciách a štatistických modeloch. Na definitívne potvrdenie by vedci potrebovali priamy dôkaz, akým by boli napríklad sekundárne signály vzniknuté rozštiepením vlnoplochy, ktoré by dorazili s miernym časovým oneskorením.

Záhada neviditeľného objektu

Tu sa však príbeh nekončí, ale iba začína. Ak totiž gravitačné vlny skutočne prešli šošovkou, musíme si položiť kľúčovú otázku: aké teleso túto šošovku vytvorilo? Pri svetle bývajú šošovkami obrie galaxie alebo kopy galaxií s biliónmi hmotností Slnka, no v prípade signálu GW231123 musel byť zdroj zakrivenia oveľa kompaktnejší.

Výpočty naznačujú, že objekt pôsobiaci ako šošovka musel mať hmotnosť v rozmedzí 190 až 850 hmotností Slnka, prípadne muselo ísť o mimoriadne hustú hviezdokopu. Problém spočíva v tom, že izolované kompaktné objekty s touto strednou hmotnosťou sú vo vesmíre extrémne zriedkavé a astronómovia ich výskyt stále nedokážu uspokojivo vysvetliť.

Pri pohľade do inkriminovanej oblasti vesmíru navyše teleskopy nenašli žiadny viditeľný objekt, ktorý by parametrom zodpovedal. V hre tak zostáva možnosť, že šošovku tvorí zatiaľ neobjavená stredne ťažká čierna diera alebo neviditeľný zhluk temnej hmoty, čo by samo o sebe predstavovalo obrovský vedecký objav.

Revolučný nástroj pre budúcnosť astronómie

Pokiaľ sa hypotéza o gravitačnom šošovkovaní vĺn definitívne potvrdí, otvorí to úplne novú éru gravitačnej astronómie. Vedci by získali do rúk prirodzený kozmický teleskop, vďaka ktorému by sme dokázali zachytiť splynutia čiernych dier z takých hlbín vesmíru, ktoré sú pre súčasné detektory za normálnych okolností úplne neviditeľné.

Analýza difrakčných a interferenčných vzorov v týchto skreslených vlnách by navyše mohla poskytnúť unikátne informácie o povahe samotnej temnej hmoty. Každá gravitačná šošovka totiž funguje ako presná váha, ktorá meria všetku hmotu v danom priestore bez ohľadu na to, či vyžaruje svetlo.

Signál GW231123 tak namiesto porušenia fyzikálnych zákonov ukazuje, ako dokonale Einsteinove predpovede fungujú aj v tých najextrémnejších podmienkach. Zdanlivý paradox sa premenil na fascinujúce pátranie po skrytých objektoch, ktoré ticho deformujú samotnú štruktúru nášho kozmu.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda