Sú prekvapivo očividným kandidátom
Nová práca na pomedzí kozmológie a kvantovej fyziky otvára dvere scenáru, ktorý by ešte pred pár rokmi pôsobil ako číra špekulácia, upozorňuje portál ScienceAlert.
Podľa tejto hypotézy by čierne diery nevznikali len ako konečné štádium evolúcie hviezd, ale mohli by byť aj reliktmi z fázy vesmíru, ktorá predchádzala tomu, čo dnes označujeme ako veľký tresk. Takéto objekty by pritom mohli vysvetliť jednu z najväčších záhad modernej fyziky, ktorou je podstata temnej hmoty.
V štandardnom obraze vesmíru sú čierne diery extrémne oblasti časopriestoru, kde je hmota stlačená do tak malej oblasti, že zakrivuje okolitý priestor do bodu, z ktorého neunikne ani svetlo.
Temná hmota je naopak neviditeľná zložka vesmíru, ktorá neinteraguje elektromagneticky, no jej gravitačné účinky držia galaxie pohromade a formujú veľkoškálovú štruktúru kozmu. Práve kombinácia „neviditeľnosti“ a hmotnosti robí z čiernych dier prirodzeného kandidáta.
Kľúčom k celej hypotéze je prehodnotenie samotného začiatku vesmíru. V rámci klasickej interpretácie vychádzajúcej z všeobecnej teórie relativity vedie spätné sledovanie vývoja vesmíru k singularite, teda bodu s nekonečnou hustotou a nulovým objemom. Fyzici však čoraz častejšie zdôrazňujú, že ide skôr o matematický signál zlyhania teórie než o fyzikálnu realitu.
Alternatívou je tzv. „odrazový“ alebo bouncing model vesmíru. Namiesto absolútneho začiatku by vesmír prešiel fázou kontrakcie, dosiahol extrémne vysokú, no konečnú hustotu a následne sa „odrazil“ do expanzie. To, čo dnes nazývame veľký tresk, by tak nebolo začiatkom času, ale prechodovým bodom medzi dvoma fázami.
Takýto scenár zásadne mení pohľad na to, čo mohlo prežiť tento extrémny prechod. Kým štandardná kozmológia s inflačnou fázou predpokladá vymazanie všetkých predchádzajúcich štruktúr, bouncing model pripúšťa ich čiastočné zachovanie. Výpočty naznačujú, že objekty väčšie než približne 90 metrov by mohli prežiť kolaps aj následnú expanziu.
Astronómovia nachádzajú zvláštne stopy z minulosti
Do hry tu vstupuje kvantová fyzika, konkrétne Pauliho vylučovací princíp. Pri extrémnych hustotách totiž hmota prechádza do degenerovaného stavu, v ktorom vzniká tlak nezávislý od teploty. Tento tlak pôsobí proti ďalšiemu stláčaniu a môže zabrániť vzniku singularity. V kozmologickom meradle by takýto efekt mohol stabilizovať vesmír počas kolapsu a umožniť jeho následný odraz.
Reliktné čierne diery by mohli vzniknúť dvoma spôsobmi. Buď ide o objekty, ktoré vznikli ešte počas kontrakčnej fázy a prežili prechod do expanzie, alebo sa formovali krátko po odraze z už existujúcich hustotných fluktuácií.
V druhom prípade zohráva úlohu prirodzené zhlukovanie hmoty počas kolapsu, ktoré vytvára štruktúry podobné dnešným galaktickým halám. Po prechode do expanzie sa tieto štruktúry môžu efektívne zrútiť do čiernych dier.
Zaujímavé je, že takýto model ponúka alternatívu k dominantnej hypotéze o časticovej povahe temnej hmoty. Napriek desaťročiam experimentov sa totiž nepodarilo potvrdiť existenciu žiadnej novej fundamentálnej častice, ktorá by temnú hmotu vysvetľovala. Reliktné čierne diery by tento problém obišli, keďže sú masívne, gravitačne aktívne a zároveň prakticky neviditeľné.
Do celej skladačky zapadajú aj najnovšie pozorovania z Vesmírneho teleskopu Jamesa Webba. Ten odhalil populáciu kompaktných, extrémne červených objektov v ranom vesmíre, označovaných ako „little red dots“.
Tieto objekty existovali už niekoľko stoviek miliónov rokov po veľkom tresku a vykazujú prekvapivo vysoké hmotnosti aj svietivosť. V rámci štandardného modelu je ťažké vysvetliť, ako mohli tak rýchlo vzniknúť.
Ak však po odraze existovali „zárodky“ v podobe reliktných čiernych dier, problém mizne. Supermasívne čierne diery v centrách galaxií by nevznikali od nuly, ale rástli by z už existujúcich objektov. James Webb Space Telescope by tak v skutočnosti mohol nepriamo pozorovať pozostatky štruktúr z predchádzajúcej fázy vesmíru.
