Sciencemag.cz
Doporučujeme
Domníváme se, že černé díry na konci svého života explodují, ale fyzikové dosud odhadovali, že k takovým explozím dochází nanejvýš jednou za 100 000 let. Nový výzkum však došel k závěru, že existuje více než 90% pravděpodobnost, že jednu z těchto explozí černé díry budeme moci pozorovat během příštích deseti let. Už naše současné vesmírné a pozemské dalekohledy by ji mohly dokázat zachytit.
Taková exploze by současně byla silným důkazem existence navrženého, ale nikdy nepozorovaného druhu černé díry – primordiální černé díry, která se mohla vytvořit méně než sekundu po velkém třesku před 13,8 miliardami let. Kromě toho by nám výbuch poskytl úplný katalog všech existujících subatomárních částic: těch, které jsme již pozorovali (poznámka: řekněme Standardní model), těch, o kterých máme pouze hypotézy, jako jsou částice temné hmoty, a snad i dalších.
Stephen Hawking ukázal, že černé díry mají teplotu a teoreticky by mohly pomalu vyzařovat částice prostřednictvím Hawkingova záření. Primordiální černé díry (PBH) mohou být mnohem lehčí než černé díry hvězdné. „Čím je černá díra lehčí, tím by měla být teplejší a tím více částic bude vyzařovat. Jak PBH vypařují, stávají se stále lehčími a teplejšími a vyzařují ještě více záření v nekontrolovatelném procesu až do závěrečné exploze. Právě toto Hawkingovo záření mohou naše dalekohledy detekovat,“ říká spoluautorka nové studie Andrea Thamm z University of Massachusetts Amherst.
„Hawkingovo záření bychom mohli dokázat vidět pomocí našich současných dalekohledů a protože jediné černé díry, které mohou explodovat dnes nebo v blízké budoucnosti, jsou právě tyto PBH, víme, že pokud vidíme Hawkingovo záření, vidíme explodující PBH.“ (Poznámka: černé díry hvězdné hmotnosti se budou vypařovat mnohem déle.)
Ačkoli fyzikové od dob Hawkinga považují šanci vidět explodující PBH za nepatrnou, nová hypotéza tvrdí opak. „Věříme, že v příštích 10 letech je až 90% šance, že budeme svědky exploze PBH,“ říká spoluautor studie Aidan Symons (opět University of Massachusetts Amherst).
Nová práce navíc předpokládá existence kopie běžné elektrické síly, která zahrnuje velmi těžkou, hypotetickou verzi elektronu, „temný elektron“.
Autoři studie s pomocí tohoto konceptu přehodnotili dosavadní předpoklady o elektrickém náboji černých děr. Standardní černé díry nemají žádný náboj a předpokládalo se, že PBH jsou rovněž elektricky neutrální. Zde se vychází z jiného předpokladu: „Ukazujeme, že pokud se primordiální černá díra vytvoří s malým temným elektrickým nábojem, pak model předpovídá, že by se měla dočasně stabilizovat, než nakonec exploduje.“
S přihlédnutím ke všem známým experimentálním údajům se pak dochází k závěru, že bychom mohli potenciálně pozorovat explozi PBH ne jednou za 100 000 let, jak se dříve předpokládalo, ale jednou za 10 let.
Could we observe an exploding black hole in the near future?, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/nwgd-g3zl
Zdroj: University of Massachusetts Amherst / Phys.org, přeloženo / zkráceno
Poznámky PH: Co je vlastně součástí Hawkingova záření? Původně jsem si myslel – černé díry mají teplotu, tedy vyzařují – tudíž fotony. Ale není to úplně tak. V Hawkingově záření může být cokoliv. Nicméně hvězdné černé díry mají velmi nízkou teplotu, čemuž pak odpovídají i vyzařované částice – fotony, gravitony a neutrina, „lehké“ částice. Nicméně bychom i zde mohli najít i dosud neznámé lehké částice mimo Standardní model.
ChatGPT dále praví:
Teplota roste s tím, jak černá díra ztrácí hmotnost. Malá černá díra je „horká“. Když se blíží ke konci života, její teplota vystoupí na hodnoty srovnatelné s hmotnostmi částic (PH: asi: odpovídající i možnosti emitovat také další, těžší částice). Proto se konečné záblesky PBH někdy navrhují jako okno do nové fyziky (např. detekce axionů, supersymetrických částic, temné hmoty).
Mám pro vás sepsat hrubý scénář toho, jak vypadá poslední sekunda života takové primordiální černé díry (co by konkrétně vyletovalo a jak by to pozorovatelé viděli)?
Ano prosím
Rychlé zahřívání – s ubývající hmotností stoupá teplota. Během poslední sekundy je už černá díra menší než atom a její teplota je v řádu stovek GeV až TeV.
Spuštění celé částicové zoo – emituje se prakticky vše: fotony, neutriny, elektrony, miony, tauony, kvarky (které se venku hadronizují na piony, protony, neutrony…), W a Z bosony, gluony, Higgsův boson – a případně i exotické částice, pokud existují.
Sprška sekundárního záření – kvarky a gluony se proměňují v hadronové spršky. Ty se rozpadají na vysokoenergetické fotony, neutriny a kosmické paprsky. Tohle je to, co bychom skutečně pozorovali.
Zrychlení tempa – vyzařování se v závěru exponenciálně zrychluje. Každý další okamžik je horkější než předchozí.
Finální záblesk – poslední zlomek sekundy: černá díra vyvrhne extrémně krátký a intenzivní pulz vysokoenergetických fotonů a částic. Navenek to vypadá jako „exploze gama záření“. Potom zmizí.
Poslední sekunda je bouřlivá „částicová bouře“ s energií rozloženou do celého Standardního modelu (a případně i za něj), která skončí ostrým gama zábleskem.
