Černá dvojdíra jako experiment pro objev ultralehkých bosonů. Kredit: D. Baumann.

Jestli existují ultralehké bosony a pokud kondenzují u rychle rotující černé díry, která se nachází ve dvojděrném systému, tak bychom mohli takové extrémně lehké bosony skutečně objevit. Rýsuje se před námi nové vesmírné dobrodružství.

Pátrání po nové fyzice nabírá na obrátkách. Některé teorie, které se odvažují do divočiny za hranice Standardního modelu částicové fyziky, předpovídají existenci doposud neznámých ultralehkých částic. V tomto případě by šlo o skutečně dramaticky lehké částice, které by byly mnohem lehčí než momentálně nejlehčí známé částice.

Jestli takové částice existují, tak budou tak velice slabě reagovat s běžnou hmotou, že je bude nesmírně obtížné detekovat současnými srážeči částic anebo detektory temné hmoty. Fyzik Daniel Baumann z Amsterdamské univerzity a jeho kolegové proto navrhují, že by takové částice bylo možné zachytit v signálech gravitačních vln, které vznikly v dalekém vesmíru splynutím černých děr. Jejich výzkum publikoval časopis Physical Review D.

Daniel Baumann. Kredit: D-ITP.

V přírodě se vyskytují dva zásadní typy částic. Jsou to fermiony, tedy částice, které představují hmotu, a pak bosony, což jsou částice, které zprostředkovávají fyzikální síly. Podle některých teorií by právě ultralehké bosony, pakliže existují, měly vytvářet velké kondenzáty kolem rychle rotujících černých děr. Mohl by to zařídit proces zvaný rotační superradiace, při kterém záření získává energii rozptylem na rotujícím objektu, což může být i černá díra.

Černým dírám, které by obklopoval oblak ultralehkých bosonů, se říká „gravitační atom“. Uspořádání takového systému totiž důvěrně připomíná proton s elektronem v atomu vodíku. Jen je pochopitelně mnohem větší, přímo gigantických rozměrů. Například, tak jako elektron v atomu vodíku, může i oblak ultralehkých bosonů nabývat různých stavů, které se navzájem liší energií.

V případě atomu vodíku je možné laserovým paprskem vyvolat přechody mezi různými energetickými stavy. Když je energie laseru přesně nastavená, tak způsobí, že elektron hupsne do jiné energetické hladiny. Podobně působí na „gravitační“ atom přítomnost druhé černé díry, která by byla s první černou dírou ve dvojhvězdě, tedy vlastně ve dvojdíře. V takovém případě sehraje roli laserového paprsku, který by měl vyvolat přechod oblaku ultralehkých bosonů, gravitace druhé přítomné černé díry.

University of Amsterdam.

Teď přicházejí na scénu gravitační vlny. Vědci poslední dobou s vypětím všech sil dovedou detekovat gravitační vlny, které vznikají, když se dvojice černých děr srazí a vytvoří jediný objekt. V nové studii Baumann a spol. prokázali, že přechody bosonového oblaku na hladiny o jiné energii mohou zanechat charakteristické „otisky prstů“ na gravitačních vlnách, které přiletěly od splynulých černých děr.

Pozorování takových otisků by se mohlo stát významným testem životaschopnosti pro teorie, které předpovídají existenci ultralehkých bosonů. Současné gravitační observatoře bohužel nejsou tak citlivé, aby mohly tento jev pozorovat. V dohledné době by se ale přístroje měly zlepšit, a pak se takové pozorování stane významným cílem pro budoucí experimenty.

Video: Primordial Cosmology 1 (TASI 2017) - Daniel Baumann (Amsterdam) 2017


Literatura
University of Amsterdam 7. 2. 2019, Physical Review D 99: 044001.