Astrofyzika & KosmologieAutor: David Pěkník17. února 20265 min čtení

Primordiální černé díry pod drobnohledem: Mikročočkování a gravitační vlny zužují prostor pro temnou hmotu

Mohly by temnou hmotu tvořit černé díry zrozené v prvních zlomcích sekundy po Velkém třesku? Nejnovější data z přehlídky Subaru Hyper Suprime-Cam a detektorů LIGO-Virgo-KAGRA dramaticky omezují jejich existenci.

Simulace gravitačního čočkování vzdáleného hvězdného pozadí vlivem silného gravitačního pole kompaktního objektu. Podobná měření pátrají po skrytých primordiálních černých dírách v halu naší Galaxie. Kredit: NASA / JPL-Caltech

Záhada temné hmoty zůstává bezesporu největším a nejvíce frustrujícím rébusem moderní fundamentální fyziky. Přestože tato neviditelná substance tvoří přibližně 85 % veškeré hmoty ve vesmíru a 27 % jeho celkové energetické bilance, její částicová podstata vědcům stále uniká. Desítky nákladných podzemních experimentů – jako jsou luxusní detektory LUX-ZEPLIN v bývalém zlatém dole v Jižní Dakotě či XENONnT pod masivem Gran Sasso v Itálii – pátrající po slabě interagujících hmotných částicích (WIMP), přinášejí po celá léta pouze negativní výsledky.

Tato bezvýchodná situace vedla v posledním desetiletí k renesanci odvážné a elegantní hypotézy, kterou v 70. letech minulého století poprvé formulovali slavní britští teoretici Stephen Hawking a Bernard Carr: Co když temná hmota vůbec není tvořena neznámými elementárními částicemi za hranicemi Standardního modelu, ale primordiálními černými děrami (Primordial Black Holes – PBH) zrozenými v prvních zlomcích sekundy po Velkém třesku?

Nejnovější rozsáhlé pozorovací kampaně využívající obří pozemní teleskopy a gravitační observatoře však tomuto lákavému scénáři kladou stále neúprosnější limity.

Zrození z kvantového chaosu v prvních mikrosekundách

Na rozdíl od běžných astrofyzikálních černých děr, které vznikají gravitačním kolapsem vyhořelých jader velmi hmotných hvězd, primordiální černé díry nepotřebují ke svému vzniku žádné hvězdy ani galaxie. Vznikají v nepředstavitelně raných fázích kosmu během epochy kosmické inflace:

Kvantové fluktuace hustoty: Během inflačního rozpínání byly mikroskopické kvantové nehomogenity roztaženy do makroskopických měřítek a vytvořily v hustotě horkého prvotního plazmatu lokální zhuštěniny.
Překročení kritické meze: Pokud v některé oblasti relativní přebytek hustoty překročil prahovou hodnotu zhruba 0,4 až 0,5, tlak horkého záření nedokázal vzdorovat gravitačnímu přitažlivému působení.
Okamžitý kolaps: Daná oblast se okamžitě zhroutila do gravitační singularity pod horizont událostí o poloměru odpovídajícím velikosti tehdejšího kauzálního horizontu.

Hmotnost takových primordiálních objektů mohla teoreticky nabývat takřka libovolných hodnot – od Planckovy hmotnosti (kolem 10^-8 kg) až po supermasivní gravitační jádra přesahující milion hmotností našeho Slunce🪐 AstroWiki EncyklopedieSlunceSlunce je centrální hvězdou naší planetární soustavy, žlutý trpaslík spektrální třídy G2V, který svou gravitací váže všechna tělesa od plane...Otevřít heslo v encyklopedii →.

Podle Hawkingovy kvantové teorie se však každá černá díra pomalu vypařuje vyzařováním částic. Jakákoliv primordiální černá díra s počáteční hmotností nižší než přibližně 10¹¹ kg (srovnatelné s hmotností menší pozemské hory) by se za 13,8 miliardy let existence vesmíru již dávno kompletně vypařila. Závěrečné exploze těchto miniaturních objektů by dnes produkovaly intenzivní záblesky záření gama, které však družice Fermi-LAT na obloze nezaznamenala.

Hmotnostní okno PBH	Ekvivalent v tělesech	Pozorovací metoda a přístroj	Zjištěný limit na frakci temné hmoty
Méně než 10¹¹ kg	Hmotnost kopce či hory	Hawkingovo záření (gama pozadí)	0 % (zcela vypařeny do současnosti)
10¹¹ až 10¹⁴ kg	Masivní pozemské hory	Družice Fermi-LAT (gama spektrum)	Méně než 0,01 % (zcela vyloučeno)
10¹⁴ až 10¹⁸ kg	Asteroidy (průměr 1 až 10 km)	Femtočočkování, pulzary (neuzavřeno)	Otevřené okno (možná až 100 % PBH)
10¹⁹ až 10²⁴ kg	Měsíc🪐 AstroWiki EncyklopedieMěsícMěsíc je jediný přirozený satelit Země, pátý největší měsíc Sluneční soustavy, těleso vzniklé obřím impaktem protoplanety Theia a dosud jedi...Otevřít heslo v encyklopedii → až trpasličí planety	Subaru Hyper Suprime-Cam (M31)	Méně než 0,1 % (vyloučeno pozorováním)
1 až 100 M_⊙	Hmotnosti běžných hvězd	Detektory LIGO-Virgo-KAGRA (GW)	Méně než 0,2 % (vyloučeno spinem)
Více než 10⁴ M_⊙	Supermasivní objekty	Narušení kulových hvězdokup slapy	Zcela vyloučeno dynamickými modely

Ostříž zrak teleskopu Subaru na hoře Mauna Kea

Klíčovým experimentem, který zasadil hypotéze primordiální temné hmoty těžkou ránu v planetárním hmotnostním rozsahu, se stala pozorovací kampaň japonského 8,2metrového dalekohledu Subaru na Havaji. Teleskop byl osazen špičkovou kamerou Hyper Suprime-Cam (HSC) s obřím zorným polem pokrývajícím 1,5 stupně čtverečního.

Vědecký tým pod vedením Masahira Takady namířil tuto soustavu na sousední spirální galaxii v Andromedě (M31) a během jediné noci pořídil stovky navazujících expozic monitorujících jas desítek milionů jednotlivých hvězd.

Princip experimentu se opírá o jev gravitačního mikročočkování:

Pokud se mezi pozorovatelem na Zemi a vzdálenou hvězdou v Andromedě protne dráha neviditelné primordiální černé díry putující halem temné hmoty, její gravitační pole zafunguje jako přírodní čočka.
Zakřivení paprsků vyvolá charakteristické, dokonale symetrické a achromatické (barevně neutrální) zjasnění hvězdy, které trvá od několika minut po několik hodin.

Výsledky přinesly jednoznačný verdikt:
Kdyby temnou hmotu tvořily primordiální černé díry o hmotnostech srovnatelných s Měsícem či planetkami (10¹⁹ až 10²⁴ kg), musela by kamera zaznamenat tisíce mikročočkových událostí. Během celého měření byl však identifikován pouze jediný kandidátní zjasňovací jev. Tímto pozorováním byla celá lunární a planetární hmotnostní škála s definitivní platností vyloučena.

Gravitační vlny a verdikt interferometrů LIGO a Virgo

Další prověrku přinesly pozemní laserové interferometry LIGO, Virgo a KAGRA. Ty sice detekovaly desítky gravitačních vln ze srážek černých děr o hmotnostech 20 až 100 hmotností Slunce, avšak detailní analýza parametrů tyto objekty rovněž diskvalifikovala jako primordiální kandidáty.

Primordiální černé díry by se v ranném vesmíru formovaly jako náhodně distribuované objekty bez výrazného vzájemného spinu. Měřená efektivní rotace zachycených párů a jejich prostorová distribuce však přesně odpovídá astrofyzikálnímu vývoji v těsných binárních soustavách masivních hvězd raných generací v hustých kulových hvězdokupách.

Poslední bašta: Tajemné asteroidální okno

Kde tedy ještě mohou primordiální černé díry přežívat a tvořit sto procent temné hmoty?
Posledním teoreticky možným úkrytem zůstává takzvané asteroidální okno v hmotnostním rozmezí 10¹⁴ až 10¹⁸ kg (což odpovídá balvanu o velikosti jednoho až deseti kilometrů):

Tyto objekty jsou dostatečně těžké, aby se za dobu trvání vesmíru nevypařily Hawkingovým zářením.
Zároveň je jejich Schwarzschildův poloměr horizontu událostí neuvěřitelně mikroskopický – dosahuje pouhých zlomků pikometru, což je rozměr podstatně menší než průměr jednotlivého atomu.
V důsledku vlnové difrakce světla nelze takto miniaturní objekty zachytit běžným optickým mikročočkováním, protože vlnová délka viditelného světla je mnohonásobně větší než gravitační čočka samotná.

„Smyčka kolem primordiálních černých děr se neúprosně stahuje. Vyloučili jsme je v téměř všech hmotnostních intervalech od mikroskopických částic až po galaktická jádra. Zůstává nám pouze úzké asteroidální okno, které budeme schopni definitivně prověřit teprve budoucími detektory femtočočkování gama záblesků a vesmírnými gravitačními observatořemi LISA,“ shrnul stav poznání profesor Bernard Carr z Queen Mary University v Londýně.

Pokud budoucí experimenty uzavřou i toto poslední okno, možnost vysvětlení temné hmoty pomocí černých děr bude definitivně pohřbena a fyzika se bude muset plně zaměřit na ultralehké částice typu axionů či temných fotonů.

Reference

[1] Carr, B., Kohri, K., Sendouda, Y., & Yokoyama, J. (2021). Constraints on primordial black holes. Reports on Progress in Physics, 84(11), 116902. DOI: 10.1088/1361-6633/ac1e31.

[2] Niikura, H., Takada, M., et al. (2019). Microlensing constraints on primordial black holes with Subaru/HSC Andromeda observations. Nature Astronomy, 3, 524–534. DOI: 10.1038/s41550-019-0723-1.

[3] Abbott, R., et al. (LIGO Scientific, Virgo, and KAGRA Collaborations) (2023). Search for intermediate and primordial black holes in gravitational-wave catalog GWTC-3. Physical Review D, 108(2), 024045. DOI: 10.1103/PhysRevD.108.024045.

[4] Green, A. M., & Kavanagh, B. J. (2021). Primordial black holes as a dark matter candidate. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, 48(4), 043001. DOI: 10.1088/1361-6471/abe652.

[5] Montero-Camacho, P., et al. (2019). A new spin on primordial black holes as dark matter: The asteroid-mass window. Physical Review Letters, 123(2), 021101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.021101.

[6] Subaru Telescope Operations Team (2024). Hyper Suprime-Cam Data Processing and Transient Event Verification Pipeline. National Astronomical Observatory of Japan, Hilo, HI.