Od té doby, co Edwin Hubble téměř před sto lety prokázal, že se vesmír rozpíná, astronomové objevili v černých dírách jedny z nejextrémnějších a nejzásadnějších jevů ve vesmíru.
Černé díry nejsou pouhými „vesmírnými kopyty“; jsou to oblasti vesmíru, kde je gravitace tak silná, že z nich nemůže uniknout ani světlo, a fungují jako přirozené laboratoře pro testování fyzikálních zákonů v jejich nejradikálnějších mezích.
Kromě své síly (a účinnosti) však tyto objekty ovlivňují vznik galaxií, vývoj hvězd a v ještě hlubším měřítku i samotnou architekturu vesmíru a zakotvují teorie temné hmoty, gravitačních vln a kvantové fyziky. Před několika lety se první fotografie černé díry stala zprávou roku a Nobelova cena za fyziku za rok 2020 ocenila teoretický a pozorovací výzkum, který to umožnil. Tento snímek, pořízený kolaborací Event Horizon Telescope, ukázal „stín“ supermasivní černé díry v centru galaxie M87 a s nebývalou přesností potvrdil předpovědi Einsteinovy obecné teorie relativity o tom, jak se světlo ohýbá v blízkosti těchto gravitačních monster. co se nám však zatím pozorovat nepodařilo, je konec černé díry. Zatím.
Je to proto, že klasické modely předpovídají, že černé díry, jakmile vzniknou, rostou nebo se vypařují jen tak pomalu, že tento proces trvá mnohem déle, než je stáří vesmíru. V rámci obecné teorie relativity může typická astrofyzikální černá díra – vzniklá zhroucením masivní hvězdy – žít mnohem, mnohem déle než současných 13,8 miliardy let vesmíru. Zajímavý signál, který v roce 2023 zaznamenala síť detektorů neutrin známá jako KM3NeT, ponořená ve Středozemním moři (dvě zařízení, jedno u pobřeží Itálie a druhé u pobřeží Francie), však toto očekávání zpochybňuje. Senzory zachytily neutrino s tak mimořádně vysokou energií, že jej fyzikové označují za „nemožné“ podle nám známých kosmických mechanismů. Tato neobvykle energetická stopa vyvolává rozsáhlou otázku: Mohla by to být ozvěna prvotní černé díry, která nakonec skončila? Vezměme to popořadě.
Nejprve je třeba pochopit, kolik energie tato částice měla. Analýzy této události ukazují, že měla odhadovanou energii asi 220 petaelektronvoltů (PeV), tedy asi 220 biliard elektronvoltů. Pro představu: Velký hadronový urychlovač (LHC), nejvýkonnější stroj, jaký kdy lidé postavili, produkuje při srážkách protonů částice v řádu stovek gigaelektronvoltů (GeV) (miliard elektronvoltů). Neutrino o energii 220 PeV má desettisíckrát větší energii než částice vznikající při srážkách na LHC. Jednalo by se tedy o dosud nejenergetičtější detekovanou částici.
Ve vesmíru známe částice s extrémními energiemi: takzvané kosmické záření s ultravysokou energií, protony nebo atomová jádra, která k Zemi dopadají s energiemi vyššími než 1018 eV a jsou studována observatořemi, jako je Observatoř Pierra Augera v Argentině. Ale i v tomto kontextu neutrino o energii 220 PeV vyniká tím, že je velmi obtížné ho produkovat obvyklými astrofyzikálními mechanismy, jako jsou výtrysky z aktivních galaxií nebo záblesky záření gama. Proto mnozí fyzikové hovoří o „nemožném neutrinu“: ne proto, že by porušovalo fyzikální zákony, ale proto, že nás nutí přehodnotit, jaké druhy přírodních urychlovačů ve vesmíru existují.
Nyní k „otci částice“. Myšlenka prvotní černé díry vychází z kosmologických teorií, které předpokládají, že v prvních okamžicích po velkém třesku nebyla hustota vesmíru homogenní. V tehdejších podmínkách nepředstavitelné teploty a tlaku mohly vzniknout malé černé díry, nikoliv však gigantické, jaké se rodí ze zhroucení masivních hvězd, ale maličké s hmotností srovnatelnou s hmotností asteroidu nebo ještě menší. Tyto hustotní fluktuace – oblasti s nepatrně vyšší hustotou, než je průměr – by se při dostatečné intenzitě zhroutily pod vlastní gravitací a vytvořily by tyto prvotní černé díry. Tuto myšlenku navrhli již v 70. letech 20. století fyzikové jako Jakov Zel’dovič, Igor Novikov a Stephen Hawking a od té doby se stala opakovanou součástí mnoha kosmologických modelů.
Na rozdíl od svých hvězdných bratrů by tyto prvotní černé díry byly neuvěřitelně horké a podle teoretické předpovědi Hawkingova záření by mohly postupně ztrácet energii vyzařováním, až by v určitém okamžiku explodovaly v jakési „superdisintegraci“, která by vymrštila energetické částice do vesmíru. Hawkingovo záření, navržené v roce 1974, kombinuje kvantovou mechaniku a obecnou teorii relativity a naznačuje, že černé díry nejsou zcela černé: vyzařují slabou tepelnou záři, jejíž intenzita se zvyšuje s tím, jak černá díra ztrácí hmotnost. Čím je menší, tím je žhavější a tím rychleji se vypařuje v procesu, který se na konci zrychluje jako jakýsi kosmický „ohňostroj“.
Pro představu měřítek: černé díře o hmotnosti Slunce by trvalo řádově 1067 let, než by se vypařila Hawkingovým zářením, což je tak obrovské číslo, že současné stáří vesmíru vypadá jako šepot. Naproti tomu prvotní černá díra o hmotnosti hory nebo velkého asteroidu by mohla končit svůj život právě teď, v současné epoše vesmíru. Pokud by jich existovalo znatelné množství, některé z nich by měly někde ve vesmíru explodovat a zanechat prchavé signály v podobě gama záření, kosmického záření… nebo extrémně energetických neutrin.
Právě zde se objevuje částice, která by mohla tento příběh vyprávět: extrémně energetické neutrino detekované KM3NeT. Neutrina jsou subatomární částice, často nazývané „duchové“, protože procházejí hmotou téměř bez interakce s ní. Každou sekundu jich naším tělem projdou miliardy, ale jen zřídka se srazí s atomem. Vznikají v procesech, při nichž se uvolňuje obrovské množství energie, například v nitru hvězd, supernovách nebo v relativistických výtryscích kolem supermasivních černých děr.
Jejich zachycení vyžaduje obří detektory, jako je síť optických senzorů pod ledem na jižním pólu (IceCube) nebo v hlubokých vodách Středozemního moře, které zaznamenávají záblesky světla zanechané vzácnými interakcemi neutrin s hmotou. Když se vysokoenergetické neutrino srazí s molekulou vody nebo ledu, může vytvořit nabitou částici, která se v tomto prostředí pohybuje rychleji než světlo (nikoli ve vakuu, kde nic nemůže překročit rychlost světla). Tento nadzvukový pohyb vytváří charakteristický modrý záblesk, Čerenkovovo záření, které je detekováno fotonásobiči rozptýlenými v oceánu nebo ledu.
KM3NeT je v podstatě trojrozměrný neutrinový teleskop tvořený řetězci skleněných koulí – každá z nich má uvnitř světelné senzory – ukotvených na mořském dně v hloubce více než 2 000 metrů. Jedna z jeho větví, ORCA, je optimalizována pro studium základních vlastností neutrin (například jejich hierarchie hmotností), zatímco druhá, ARCA, se zaměřuje na neutrina s velmi vysokými energiemi z kosmických zdrojů. Právě v tomto temném, tichém a zdánlivě klidném prostředí ve Středozemním moři byla v roce 2023 zaznamenána událost, která spustila všechny teoretické poplachy.
Mimořádné na signálu z roku 2023 je to, že jeho energie dalece přesahuje energii jakéhokoli dosud zaznamenaného kosmického neutrina a jeho původ se neshoduje s žádným konvenčním astronomickým procesem, který by byl dostatečně silný na to, aby jej mohl generovat. Podle studie publikované v časopise arXiv a vedené Michaelem J. Bakerem (ředitelem výzkumu na CNRS, „francouzském CSIC“) by tato částice mohla být konečným produktem vypaření a exploze blízké primordiální černé díry, při níž se uvolnil proud částic, včetně vysokoenergetických neutrin, které putovaly vesmírem až na Zemi.
Práce Bakera a jeho spolupracovníků se neomezuje na pouhou kvalitativní asociaci. Autoři vypočítali, kolik energie by měla primordiální černá díra uvolnit ve svých posledních okamžicích, jaké spektrum částic by vyprodukovala a jaká je pravděpodobnost, že by detektor jako KM3NeT dokázal zaznamenat neutrino o energii 220 PeV. Jejich závěry jsou provokativní: ačkoli je pravděpodobnost nízká, není tak nízká, aby vyloučila, že to, co bylo pozorováno, je skutečně „poslední záchvěv“ jednoho z těchto exotických objektů. Navíc typ signálu poměrně dobře odpovídá tomu, co se od takového výbuchu očekává, spíše než alternativním scénářům.
Pokud je tato hypotéza správná, jednalo by se z kosmického hlediska o skutečně vzácný objev: pozorování smrti objektu, jehož existence byla dosud pouze teoretická. Navíc by to mohlo vnést světlo do hlubokých otázek, jako je povaha temné hmoty, oné neviditelné látky, která zřejmě ovládá hmotu vesmíru. Některé modely navrhují, že primordiální černé díry by mohly tvořit významnou část této temné hmoty, a takový výbuch, detekovaný díky „nemožnému neutrinu“, by byl vodítkem jak k její existenci, tak k fyzice mimo tzv. standardní model částic.
Na temnou hmotu se usuzuje podle jejích gravitačních účinků: způsobuje, že galaxie rotují rychleji, než by to viditelná hmota umožňovala, ohýbá světlo vzdálených objektů (gravitační čočkování) a zanechává svůj otisk na fosilní mikrovlnné mapě velkého třesku. Nikdo ji však zatím nedokázal detekovat přímo v laboratoři. Primordiální černé díry v této souvislosti nabízejí radikální alternativu: temná hmota možná není tvořena novými exotickými částicemi, ale kompaktními objekty vzniklými v raném vesmíru. Pokud se část této populace právě nachází v závěrečné fázi svého vypařování, neutrina jako KM3NeT by byla prvotřídním oknem pro jejich lov.
Příběh však zdaleka není uzavřen. Vědecká komunita tyto výsledky vítá s opatrností. Kritickým bodem je, že jiné detektory neutrin, jako je IceCube v Antarktidě, podobné události nezaznamenaly , přestože jsou speciálně navrženy pro zachycování neutrin o velmi vysokých energiích. To naznačuje, že pokud je interpretace primordiální exploze černé díry správná, může vyžadovat zvláštní podmínky, nebo že takové události jsou prostě extrémně vzácné. Navíc IceCube již naměřila rozptýlený tok vysokoenergetických kosmických neutrin z více zdrojů a jakýkoli nový mechanismus – například vypařování prvotních černých děr – musí do tohoto obrazu zapadat, aniž by mu odporoval.
Existují také konzervativnější vysvětlení. Někteří badatelé předpokládají, že neutrina mohla vzniknout v extrémních oblastech aktivních galaxií, kde supermasivní černé díry vystřelují proudy částic téměř rychlostí světla, nebo při přechodných jevech, jako jsou záblesky gama záření nebo zničení hvězdy, když projde příliš blízko černé díry (událost slapového rozrušení). Další možností je, že se jedná o statistickou fluktuaci nebo příliš optimistickou interpretaci skutečné energie události, což může objasnit pouze více dat a nezávislá analýza.
Souběžně s tím teoretici zkoumají, zda by taková extrémní neutrina mohla souviset s novou fyzikou mimo standardní model: neznámými intermediálními částicemi, exotickými interakcemi nebo dokonce topologickými defekty časoprostoru vzniklými v raném vesmíru. Každá hypotéza má své vlastní pozorovací předpovědi a v příštích několika letech bude klíčové zjistit, která z nich obstojí v testu s daty.
Jisté však je, že detekce takové mimořádné částice nám připomíná, jak málo toho o extrémním vesmíru ještě víme a kolik tajemství může být v budoucnu odhaleno. Projekty, jako je KM3NeT, IceCube-Gen2 (budoucí rozšíření IceCube) nebo nové teleskopy pro gama záření a gravitační vlny, jsou součástí nové generace „astronomie s více posly“, v níž se kombinují světlo, částice a vibrace časoprostoru, aby bylo možné rekonstruovat nejbouřlivější jevy ve vesmíru. Pokud se nakonec ukáže, že nemožné neutrino je podpisem explodující primordiální černé díry, budeme svědky jedinečné události: první pitvy jednoho z nejzáhadnějších objektů ve vesmíru. Pokud tomu tak nebude, bude to i tak neocenitelné vodítko k pochopení toho, kam až mohou zajít přirozené urychlovače vesmíru.
Každopádně Středozemní moře, proměněné v gigantické podmořské oko, už ukázalo, že může konkurovat antarktickému ledu, pokud jde o odhalování tajemství vesmíru. A možná někde na mořském dně čeká další záblesk světla, který nám znovu řekne, že realita je podivnější – a fascinující -, než jsme si představovali.