Mezi adepty na vysvětlení podstaty alespoň části temné hmoty patří i miniaturní primordiální (prvotní) černé díry, které unikají naší snaze je odhalit. Zatím tedy patří mezi hypotetické objekty, které představují jakési střípky Big Bangu. Nevznikly totiž kolapsem extrémně hmotných hvězd, ani netvoří galaktická jádra, nýbrž jsou důsledkem gravitačního zhroucení výrazných lokálních nehomogenit v rozložení hmoty v tom nejranějším vesmíru. Primordiální černé díry – dále PČD - jestli vůbec existují, mohou mít velikost srovnatelnou s atomovým jádrem, či dokonce jenom elementární částicí a mají hmotnost většího asteroidu.
Snad nejznámější práce proslulého britského astronoma Stephena Hawkinga se týká právě těchto titěrných černých děr – přesněji jevu, díky němuž se "vypařují". Podle tvůrce teorie se tato „sublimace“ nazývá Hawkingovým zářením. Vychází z faktu, že fyzikální vakuum není úplná nicota, a i když se v něm nenachází žádná reálná hmotná částice, má energii – energii vakua, jež by měla mít na svědomí to, že se kosmický prostor rozpíná stále rychleji. Kvantová fyzika předpokládá, že lokální fluktuace této energie se projevují vytvářením párů virtuálních částic, které však vzápětí anihilují a tak vracejí vakuu energii, kterou si půjčily pro svou prchavou existenci. Hranice libovolné černé díry, za kterou ani pro světlo již není návratu do vnějšího světa, se nazývá horizontem událostí. Co se stane, když právě na něm vznikne pár virtuálních částic, z nichž jednu černá díra pohltí a ta druhá unikne do reálného světa? Pár pak nemůže anihilovat a proměnit se zpět na energii vakua. Částice, které se podařilo pláchnout, s sebou odnáší do reálného světa svou energii a ta se musí někde odečíst. Černou dírou pohlcená částice má tím pádem zápornou energii (hmotnost) a o tuto nepatrnou hodnotu svého predátora zmenší. Hawkingovo záření, které by mělo spadat do tepelné (infračervené) oblasti spektra, představuje mechanizmus umožňující černým dírám se zmenšovat a zanikat v závěrečném výtrysku gama záření.
Následující video z dílny BBC populární formou názorně, ale s anglickým slovním doprovodem vysvětluje Hawkingovo záření:
Tímto způsobem se za dobu existence našeho vesmíru, za 13,7 miliardy let, vypařily všechny menší PČD s počáteční hmotností menší než miliarda tun. I když na druhé straně připustíme, že ty mnohem hmotnější PČD mohly díky pojídání další hmoty (akreci) vyrůst do kategorie „standardních“ černých děr, teorie nabízí dostatečné množství do současnosti přeživších, těžko detekovatelných miniatur. Vycházejíc z výsledků výzkumů se odhaduje, že PČD s hmotností v rozmezí několik sto miliontin hmotnosti Slunce až jeho 15násobku se mohou na temnohmotném halo obklopujícím naši Galaxii podílet maximálně 8 procenty. I kdyby to bylo méně, i tak by se mezihvězdným prostorem ve vnitřních oblastech Mléčné dráhy mělo prohánět nemalé množství drobounkých primordiálních černých děr.
Jak je ale odhalit?
Jednou z možností je metoda gravitační mikročočky. Je ale použitelná jen pro hmotnější PČD. Když některá z nich prochází mezi pozorovatelem a hvězdou, na okamžik se o něco zvýší její pozorovaná jasnost.
Zajímavější, i pro menší PČD použitelnou metodou je detekce jejich průchodu hvězdou. Zní to sice nepravděpodobně, ale jsou-li černé minidíry reálné, pak podle odhadů k takovému jevu dochází v naší Galaxii, v níž je asi 100 miliard hvězd, v průměru 10 000 krát za rok. Při střetu primordiální černá díra subatomární velikosti hvězdu samozřejmě nepohltí, nýbrž ní projde v podstatě bez odporu, bez toho, aby to výrazně ovlivnilo její rychlost, nebo hmotnost. I to ve svém článku, zveřejněném v časopisu Physical Review Letters tvrdí dva mladí vědci, Shravan Hanasoge z Katedry geověd na Princeton University a jeho kolega Michael Kesden z Centra pro kosmologii a částicovou fyziku na New York University, kteří vytvořili dosud nejpřesnější počítačový model simulující průlet primordiální černé díry o hmotnosti minimálně 1021 g, tedy jedné biliardy tun (jedna šest miliontina hmotnosti Země) hvězdou porovnatelnou se Sluncem.
Interakci obou tak výrazně odlišných těles by mohly moderní pozemské astronomické přístroje zaregistrovat. Průchod PČD sice vyvolá emisi rentgenového záření, to ale bude jen stěží odlišitelné od vlastního vyzařování hvězdy. To, co by mohlo být viditelné, jsou povrchové oscilace. Jak bude PČD hvězdou prolétat, její gravitace způsobí lokální zhuštění horkého plazmatu a to vyvolá akustické (seizmické) vlny, které budou postupně interferovat. Časový průběh těchto interferencí by měl zpětne umožnit rekonstrukci dráhy PČD hvězdou.
Vše názorně dokumentují dvě videa simulující průlet PČD
a/ středem hvězdy
b/ povrchovou oblastí hvězdy
Máme tedy další návod na to, po čem v oceánu naměřených informací pátrat, když chceme objevit velkou raritu – malou primordiální černou díru. Předpokládaná pravděpodobnost úspěchu není malá a tak bezpochyby se nejeden tým astronomů bude o něj pokoušet. Co když se to podaří? Budeme mít další důkaz, že naše představy o vývoji raného vesmíru jsou správné a že temná hmota není fikcí. Na otázku, co se stane, když se s předem neodhalitelnou černou dírou potká naše planeta, odpověď zní, že podobně jako v případě hvězdy, nic katastrofického. Pokud bude vskutku miniaturní, velikostně porovnatelná s protonem, s hmotností okolo 1 miliardy tun, bude Zemí prolétat v podstatě bez odporu nadzvukovou rychlostí. Celková energie, která se uvolní podél celé trasy, bude odpovídat výbuchu jedné tuny TNT. Jenže jde o součet, ne o lokální explozi, proto žádné velké škody nezaznamenáme, pokud úplnou náhodou nezasáhne člověka. Kromě slabých seizmických vln by o jejím průletu planetou měla svědčit jen její úzká stopa zářením pozměněné hmoty.
Zdroj: Princeton University News, odborný článok v arxiv, Universe Today
Diskuze:
