Zvětšit obrázek

Najdeme stopy černoděrových bomb? Kredit: NASA Goddard Space Flight Center.

Když je řeč o temné hmotě, tak by nás nemělo překvapit snad už vůbec nic. Jsme zaplaveni fyzikálními teoriemi vysvětlujícími povahu temné hmoty, které jako kdyby se trumfovaly v bizarnosti. Mezi ty více odvázané nepochybně patří černoděrové bomby (Black hole bombs).

Jako by nestačila nenasytnost a singularita černých děr, samy o sobě dost děsivé. Ještě je k tomu nutné vstřebat představu, že černá díra vybuchne. Zní to vážně šíleně, není to ale vlastně nic nového. Mechanismus černoděrové bomby poprvé popsali Press a Teukolsky v roce 1972. Tehdy to byl spíš takový strašák pro neposlušné děti astrofyziků, první detailní analýzu černoděrových bomb udělali až Shara a Oded Hodovi v roce 2010. Vtip je v tom, že když černá díra dostatečně rychle rotuje, tak za určitých podmínek může dojít namísto prostého pohlcení k opakovanému rozptylu a odrazu okolního záření, které může vyvrcholit v superzářivému rozptylu (superradiant scattering), explozi záření a tepla z černé díry.

Zvětšit obrázek

Paolo Pani.  (Kredit: Pani)

Zní to dost neuvěřitelně, vesmír ale dovede překvapit. Abraham Loeb z Harvard‑Smithsonianského centra astrofyziky a spolu s ním Paolo Pani z Lisabonské univerzity se domnívají, že černoděrové bomby mohly řádit v ranném vesmíru, kdy vznikaly primordiální černé díry – nikoliv zhroucením těžké hvězdy, ale z chuchvalců nesmírně husté prvotní hmoty vesmíru. Pokud by to takhle fungovalo, tak by velká většina z nich měla z našeho pohledu nepatrné rozměry a zároveň dost intenzivní hmotnost. Zhruba tak od mikroskopických, o váze menší než náš Měsíc, až po primordiální díry velikosti ledničky a hmotnosti odpovídající Jupiteru.

Mohly by primordiální černé díry vysvětlovat temnou hmotu? Vědci se již dlouho snaží nějak omezit možné velikosti takových černých děr, abychom je snáz našli. Anebo odmítli. Vycházejí přitom z toho, že pokud by primordiální díry skutečně byly temnou hmotou, muselo by jich být hodně. Temné hmoty by přece mělo být mnohem víc, než té běžné. A v této souvislosti jsme už v lecčem moudřejší. Kdyby takových černých děr bylo hodně a byly by velké, museli bychom občas pozorovat jejich gravitační působení na záření hvězd, při přechodu takové černé díry mezi hvězdou a námi. Pokud víme, tak se nic podobného běžně neděje. Už z toho lze odvodit, že primordiální černé díry patrně nejsou hmotnější než Jupiter a nevysvětlují více než 10 procent temné hmoty.

Zvětšit obrázek

Avi Loeb. Kredit: Harvard University.

Další omezení pro existenci primordiálních černých děr přináší Hawkingovo záření. Černé díry se podle všeho postupně vypařují. Primordiální díry zhruba tak do hmotnosti asteroidu by se už za dobu trvání vesmíru vypařily. A kdyby se takhle vypařovaly, tak bychom v okolním vesmíru měli pozorovat početné záblesky tvrdého gama záření, což ovšem podle všeho nepozorujeme.

Pani s Loebem ve své studii tvrdí, že ještě zbývají primordiální černé díry o hmotnosti asteroidu až Měsíce. Některé z nich podle nich mohly v mladém vesmíru explodovat jako černoděrové bomby, podmínky tam k tomu snad byly. A jestli explodovaly, tak bychom dnes eventuelně mohli najít pozůstatky těchto výbuchů jako odchylky od ideálního spektra černého tělesa, jaké očekáváme pro reliktní mikrovlnné záření vesmíru (CMB).

Zní to pěkně, ale pokud jde o primordiální černé díry, tak jejich příběhu bohužel hrozí špatný konec. Jak pozorní čtenáři OSLA jistě vědí, tak zhruba před měsícem (leden 2014) Pani s Loebem v novější studii výskytu neutronových hvězd v Mléčné dráze uznali, že to s existencí primordiálních černých děr nevypadá dobře a že jen těžko vysvětlují více než mizivé procento scházející temné hmoty. Nicméně, pro pozoruhodné černoděrové bomby to ještě nemusí znamenat definitivní konec. Zdá se, že i klasické černé díry o hmotnosti hvězd a stejně tak i supermasivní černé díry v srdci galaxií poměrně svižně rotují a není vyloučeno, že by i ony mohly explodovat jako černoděrové bomby. Loeb slibuje, že kdybychom objevili pozůstatky jejich explozí, tak by to určitě přineslo nějakou novou fyziku.

Zvětšit obrázek

Pavel Bakala, člen týmu LOFT „Strong gravity“. Kredit: SU Opava.

K fenomému černoděrovým bomb se pro OSLA vyjádřil Pavel Bakala, specialista na obecnou teorii relativity a chování hmoty a záření v blízkosti černých děr a neutronových hvězd, z Ústavu fyziky Filozoficko-přírodovědecké fakulty Slezské univerzity v Opavě:

Zdá se, že možnosti dolování informací o raných stádiích vývoje vesmíru z analýz jemných spektrálních i prostorových fluktuací CMB stále nejsou vyčerpány. Elegantní úvaha Paniho a Loeba je překvapivá svou jednoduchostí a vtipným použitím dobře známých principů a navíc poskytuje dobré možnosti observačních testů. Pokud by skutečně primordiální černé díry byly temnou hmotou nebo alespoň její výraznou frakcí, znamenalo by to konec spekulací o jejím složení z hypotetických supersymetrických partnerů známých částic nebo jiných částicových exotů. Tím by byly nastaveny výrazné limity pro hledání tzv. nové fyziky za standardním modelem. Existují však velmi vážné pochybnosti o existenci primordiálních černých děr založené na absenci pozorování efektů gravitačního čočkování a srážek s neutronovými hvězdami. Ve hře je však stále velmi mnoho neznámých.

Black-Hole Bombs And Photon-Mass Bounds. Kredit: Paolo Pani. Presentace  slides je ke stažení zde

CITA 196: Primordial Black Holes as a Probe of the Early Universe. Kredit: CITA.
http://www.youtube.com/watch?v=v3EK3mCLSxA

Literatura

NewScientist 12. 2. 2014, arXiv:1307.5176, Wikipedia (Black hole bombs, Primordial black hole).