Před miliardami let se ve vzdálené galaxii spojily dvě černé díry mnohem hmotnější než Slunce - každá 31 a 19 slunečních hmot -. 4. ledna 2017 tyto gravitační vlny, které se pohybovaly vesmírem rychlostí světla, nakonec dosáhly Země, kde vytlačily a roztáhly naši planetu na několik atomů. To stačilo na to, aby dva detektory LIGO ve Washingtonu DC a Louisianě zachytily signál a přesně rekonstruovaly, co se stalo. Již potřetí v historii jsme přímo pozorovali gravitační vlny. Dalekohledy a observatoře po celém světě, včetně těch na oběžné dráze Země, mezitím hledaly úplně jiný signál: něco jako světlo nebo elektromagnetické záření, které by tyto slučující se černé díry mohly vyzařovat.
Ilustrace dvou splývajících černých děr srovnatelné hmotnosti s těmi, které byly vidět na LIGO. Očekává se, že taková fúze by měla produkovat velmi málo elektromagnetických signálů, ale přítomnost vysoce zahřáté látky v blízkosti takových předmětů to může změnit.
Podle našich nejlepších fyzikálních modelů by slučování černých děr nemělo vyzařovat vůbec žádné světlo. Masivní singularita obklopená horizontem událostí může vyzařovat gravitační vlny v důsledku měnícího se zakřivení časoprostoru, protože se točí kolem další obrovské masy, což naznačuje obecná relativita. Jelikož gravitační energie ve formě záření musí odněkud pocházet, bude konečná černá díra po sloučení o několik hmotností Slunce lehčí než součet zdrojů, které ji generovaly. To je zcela v souladu se dvěma dalšími fúzemi, které LIGO pozorovalo: asi 5% původních hmot bylo přeměněno na čistou energii ve formě gravitačního záření.
Masy známých systémů binárních černých děr, včetně tří potvrzených fúzí LIGO a jednoho kandidáta na fúzi
Ale pokud je něco mimo tyto černé díry, jako je akreční disk, firewall, tvrdá skořápka, difúzní mrak nebo cokoli jiného, zrychlení a ohřev tohoto materiálu může vytvořit elektromagnetické záření, které se šíří spolu s našimi gravitačními vlnami. Po první detekci LIGO uvedl Fermi Gamma-ray Burst Monitor, že detekoval výbuch vysoké energie shodující se s časem signálu gravitační vlny. Bohužel satelit ESA nejenže nepotvrdil výsledky Fermiho, ale vědci, kteří tam pracují, objevili chybu ve Fermiho analýze jejich dat, což zcela diskreditovalo jejich výsledky.
Sloučení dvou černých děr očima umělce s akrečním diskem. Hustota a energie hmoty by zde neměla stačit k vytvoření paprsků gama nebo rentgenových záblesků, ale kdo ví, čeho je příroda schopná.
Druhá fúze nevykazovala takové náznaky elektromagnetických signálů, ale to není překvapující: černé díry byly podstatně lehčí, takže jakýkoli signál, který generovali, by měl odpovídající velikost. Ale třetí fúze byla také masově velká, srovnatelnější s první než s druhou. Ačkoli Fermi nic neřekl a satelit Integral ESA také mlčel, došlo k dvěma náznakům, že mohlo dojít k elektromagnetickému záření. Družice AGILE Italské kosmické agentury zaznamenala slabé, krátkodobé vzplanutí, ke kterému došlo půl sekundy před fúzí v LIGO, a rentgenová, rádiová a optická pozorování byla kombinována podivně.
Pokud by se něco z toho dalo připsat sloučení černých děr, bylo by to naprosto neuvěřitelné. O černých dírách víme tak málo obecně, co můžeme říci o jejich slučování. Nikdy jsme je neviděli na vlastní oči, i když dalekohled Event Horizon bude fotografovat do konce letošního roku. Právě v tomto roce jsme zjistili, že černé díry nemají tvrdé horizonty obklopující horizont událostí, ale tato skutečnost byla také statistická. Takže pokud jde o možnost, že černé díry mohou mít elektromagnetické úniky, stojí za to mít otevřenou mysl.
Propagační video:
Vzdálené masivní kvasary vykazují ve svých jádrech supermasivní černé díry a jejich elektromagnetické úniky lze snadno zjistit. Zatím jsme ale neviděli slučování černých děr (zejména těch s nízkou hmotností, méně než 100 sluncí) emitujících cokoli, co lze detekovat.
Bohužel žádné z těchto pozorování neposkytuje potřebná data, která by nás vedla k závěru, že sloučení černých děr může vyzařovat cokoli v elektromagnetickém spektru. Obecně je obtížné získat přesvědčivé důkazy, protože ani dvojité detektory LIGO, pracující s neuvěřitelnou přesností, nemohou přesně určit polohu signálu gravitačních vln s větší přesností než do souhvězdí nebo tří. Jelikož gravitační vlny a elektromagnetické vlny cestují rychlostí světla, je velmi nepravděpodobné, že mezi nimi bude téměř 24hodinové zpoždění. Přechodný jev navíc nastává ve vzdálenosti, která neumožňuje jeho spojení s gravitační vlnou.
Pozorovací oblast observatoře AGILE v době pozorování LIGO s možným umístěním zdroje gravitačních vln zobrazeným ve fialových obrysech
Pozorování AGILE mohou potenciálně naznačit, že se děje něco zajímavého. V okamžiku, kdy byla detekována událost gravitačních vln, byl AGILE namířen na oblast vesmíru, která obsahuje 36% studijní oblasti LIGO. Podle vědců se „přebytek detekovaných rentgenových fotonů“objevil někde nad obvyklým průměrným pozadím. Při pohledu na data si však vědci kladou první otázku: Jak přesvědčiví jsou?
Vteřiny před fúzí LIGO vytáhli zajímavou událost označenou E2 ve třech výše uvedených grafech. Po důkladné analýze, ve které korelovali, co vidí a jaké náhodné výkyvy se mohou přirozeně vyskytnout, dospěli k závěru, že se stalo něco zajímavého s pravděpodobností 99,9%. Jinými slovy, viděli skutečný signál, nikoli náhodné kolísání. Ve vesmíru je mnoho objektů, které vyzařují gama a rentgenové paprsky, které tvoří pozadí. Může však být událost spojena s gravitačním spojením dvou černých děr?
Počítačové simulace dvou splývajících černých děr s produkcí gravitačních vln. Otázkou je, zda tento signál doprovází nějaký elektromagnetický výboj?
Pokud ano, proč to ostatní satelity neviděly? V tuto chvíli můžeme dojít k závěru, že pokud černé díry měly elektromagnetickou část, pak:
- extrémně slabý
- se rodí pouze při nízkých energiích
- nemá jasnou optickou, rádiovou nebo gama složku
- nenastává současně s uvolňováním gravitačních vln.
Binární černé díry o 30 hmotách Slunce, poprvé zaznamenané LIGO, se bez přímého kolapsu těžko tvoří. Nyní, když už byly pozorovány dvakrát, bylo jasné, že takové páry černých děr jsou docela běžné. Mají elektromagnetické záření?
Kromě toho vše, co vidíme, dokonale zapadá do skutečnosti, že slučování černých děr nemá elektromagnetickou část. Může to ale být tím, že nemáme dostatek dat? Pokud postavíme více detektorů gravitačních vln, uvidíme více fúzí černých děr s vysokou hmotností, lépe je lokalizujeme, uvidíme více přechodných událostí - můžeme zjistit odpověď na tuto otázku. Pokud budou mise a observatoře, které by tyto údaje shromažďovaly, postaveny, uvedeny do provozu a v případě potřeby umístěny na oběžnou dráhu, pak za 15 let obdržíme vědecké potvrzení.
ILYA KHEL