I když to tak někdy nevypadá, částicoví fyzici neloví jenom mediálně slavný Higgsův boson. Podivuhodná zoologická zahrada hypotetických částic je mnohem pestřejší. Některé částice jsou zvláštní a některé naprosto šílené. Zatím ale netušíme, jestli některá z nich čirou náhodou opravdu nepatří mezi stavební kameny tohoto světa. Stejně tak nejsou mamutí urychlovače částic, krmící se neuvěřitelnou spoustou drahé energie, jedinou zbraní, kterou můžeme při lovu mysteriózních částic použít. Teď se ukazuje, že by se překvapivě dobrým nástrojem lovců částic mohly stát samy o sobě už tak dost prapodivné černé díry.
Přišla s tím dvojice nevinně vyhlížejících badatelů z Vienna University of Technology – Gabriela Mocanu a její student Daniel Grumiller. Právě pomocí černých děr v okolním vesmíru chtějí ověřovat existenci zatím poměrně pohádkových částic, axionů. Jejich existenci předpověděli Roberto Peccei a Helen Quinnová v roce 1977 a od té doby se axiony snaží nalézt řada výzkumných týmů v různých experimentech. Axiony, tedy pokud existují, by měly řešit problémy CP symetrie v konceptu kvantové chromodynamiky. Zároveň je ostře sledují odborníci na temnou hmotu, protože právě axiony jsou, spolu s fotiny a neutraliny, významnými kandidáty na chladnou temnou hmotu. Teorie kolem axionů předpovídají, že by měly být velice lehké, neměly by mít elektrický náboj a také by neměly příliš ochotně interagovat s klasickou hmotou. V silném magnetickém poli by měly vznikat z fotonů a zase se na ně proměňovat, v rámci Primakoffova jevu. Spousta jich prý také měla vzniknout v pohnutých dobách Velkého třesku. Podle Mocanu a Grumillera není existence axionů zatím prokázaná, ale prý ji odborníci považují za dost pravděpodobnou.
Kvantová fyzika může prakticky každou částici popisovat jako vlnu. Jak je dobré vědět, vlnová délka takové vlny zásadně souvisí s její energií. Relativně těžké částice mají coby vlny krátké vlnové délky, zatímco velmi lehce stavěné axiony by měly mít vlnovou délku o spoustě kilometrů. Mocanu a Grumiller propočítali, že by axiony mohly uvíznout na oběžné dráze kolem nějaké černé díry, tak jako elektrony obíhají v atomech.
Mezi elektrony v atomu a axiony kolem černé díry je ale podstatný rozdíl. Elektrony jsou totiž fermiony využívající elektromagnetickou sílu a splňující Pauliho vylučovací princip kvantové mechaniky (podle nějž žádné dva nerozlišitelné fermiony nemohou být ve stejném kvantovém stavu), kdežto axiony jsou bosony, které by kolem černé díry obíhaly díky gravitaci a z Pauliho principu mají legraaci. Pokud existují, tak by měly kolem černé díry vytvořit Bose-Einsteinův kondenzát, oblak bosonů, který by z černé díry neustále sosal dostupnou energii a množil tím axiony.
Mocanu a Grumillera mají okouzlující metaforu, v níž nejprve jedou s rodiči v autě tři vcelku způsobné děti. Během jízdy ale řádí jako utržené z řetězu a z dospělých tím vytahují energii. Posléze jich je víc a víc a v jednu chvíli jich jede 45, což je docela hororová představa.
Oblak bosonů kolem černé díry ale nemusí být příliš stabilní. Občas by se mohl náhle zhroutit jako bosenova, čili v explozi připomínající maličkou supernovu. Nějaké skromnější bosenovy jsme už pozorovali, stále ale zůstávají poměrně tajemné a odborníci přepokládají, že by jejich objasnění významně přispělo k pochopení neutronových hvězd, pulsarů a vůbec celé kvantové teorie. Taková příhoda podle všeho rozvíří tkanivo časoprostoru a vyšle do okolního vesmíru gravitační vlny. Ty bychom mohli s trochou štěstí na Zemi zachytit a potvrdit tím existenci axionů. Zatím se můžeme o axionech a černých děrách jenom dohadovat a čekat na detektory gravitačních vln nové generace, schopné zachytit ozvěnu bosenov, které by měly být v provozu snad kolem roku 2016. Kdo ví, jak to dopadne.
Prameny:
Vienna University of Technology News 18.6. 2012, Physical Review D 85: 105022, Wikipedia (Axion, Bosenova).
Poznámka redakce:
V každoroční soutěži o účast na Týdnu se současnou biologií 2012 na Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích byli vyhlášeni vítězové.
Seznam jmen najdete ZDE