Detektory gravitačních vln nové generace by mohly objevit prvotní černé díry

Několik stovek milionů let po Velkém třesku se zažehly první hvězdy – byl to doslova okamžik, kdy ve vesmíru nastalo světlo. Tyto obří hvězdy, které astronomové označují jako hvězdy populace III (neboli Pop III), se výrazně lišily od hvězd, jaké známe dnes. Vznikaly z čistého vodíku a helia, aniž by jejich vývoj brzdila přítomnost „kovů“ (tedy prvků těžších než helium). Byly také obrovské; dosahovaly desetinásobku až stonásobku hmotnosti Slunce. Jejich život byl však krátký a mnohé z nich zanikly zhroucením, čímž vznikly vůbec první černé díry ve vesmíru. Některé z těchto černých děr vytvořily dvojice a nakonec se sloučily, čímž vyvolaly gravitační vlny, které bychom – pokud budeme disponovat dostatečně citlivými přístroji – mohli potenciálně detekovat. Nová studie, na níž se podílel astrofyzik N. V. Krishnendu z University of Birmingham se svými kolegy, ukazuje, jak mnoho se o těchto objektech můžeme dozvědět díky nové generaci detektorů gravitačních vln, které brzy zahájí provoz.

Současné detektory gravitačních vln, jako jsou LIGO v USA, Virgo v Itálii a KAGRA v Japonsku, prokázaly svou vysokou schopnost. Detekovaly již přibližně 400 událostí, přičemž ta první byla zaznamenána teprve před zhruba jedenácti lety. Jsou však omezeny dosahem – což ve vesmírném měřítku znamená i časové omezení. Vzhledem k tomu, že se zaměřují na vysoké frekvence, dokážou nahlédnout do minulosti vzdálené asi 8 miliard let. To je sice úctyhodný výkon, avšak nedostačující k získání údajů o hvězdách populace III.

Na scénu nyní přicházejí noví hráči. Dva projekty se chystají převzít štafetu v nové etapě astrometrie gravitačních vln. Cosmic Explorer (CE), projekt z USA, počítá s konstrukcí ve tvaru písmene L (podobně jako LIGO), jejíž „ramena“ budou dosahovat délky až 40 km. Naproti tomu Einstein Telescope (ET) je plánované podzemní zařízení na Sardinii, které bude mít podobu trojúhelníku o straně 10 km.

Ačkoliv mají být tyto nové observatoře velmi výkonné, je obtížné určit, jak by se projevovala černá díra pocházející z počátků vesmíru. Gravitační vlna vyslaná před zhruba 14 miliardami let by se v důsledku rozpínání vesmíru během své cesty k Zemi 19krát natáhla. To nejen způsobuje, že černé díry působí hmotněji, ale zároveň snižuje frekvenci samotného signálu. Například splynutí dvou černých děr, z nichž každá má hmotnost 30násobku Slunce, by se našim detektorům jevilo jako gigantický binární systém černých děr o celkové hmotnosti 1 100násobku Slunce.

Nejedná se o první studii, která na tuto skutečnost upozorňuje, ani o první pokus odhadnout, jak úspěšné budou nové detektory při detekci těchto prastarých splynutí. Dřívější práce často využívaly matematický model tzv. Fisherových matic k odhadu toho, zda by nové detektory dokázaly určit vlastnosti splynutí černých děr z velmi raného období. Naproti tomu tato nová studie vytvořila model realistické populace hvězd Pop III a pomocí bayesovských superpočítačových simulací otestovala, jak dobře by kombinace detektorů ET a CE dokázala určit vlastnosti splynutí, k nimž došlo před více než 13,54 miliardy let.

Vše závisí na frekvenci. Vědci vytvořili modely dvou detektorů: jednoho schopného měřit vibrace na frekvenci 10 Hz a druhého, ambicióznějšího, který by dokázal pracovat již od 5 Hz. Ačkoliv se rozdíl pěti hertzů může zdát zanedbatelný, v případě gravitačních vln je obrovský. Detektor s limitem 10 Hz by zachytil pouze závěrečné okamžiky tzv. spirálového sbližování (inspiral) – tedy onu smrtící spirálu, v níž se dvě černé díry nakonec prakticky dotknou a společně vibrují ve fázi zvané „ringdown“. Naproti tomu detektor schopný pracovat na 5 Hz by dokázal zachytit část sbližování v dostatečném předstihu na to, aby zaznamenal několik celých oběhů, než do sebe objekty narazí. To představuje zásadní rozdíl pro pochopení vlastností těchto splynutí a umožňuje astronomům odlišit tyto zkreslené signály z raného vesmíru od běžnějších, blízkých černých děr.

Další výhodou těchto simulací je, že detektory zřejmě dokážou změřit fyzickou hmotnost těchto prastarých černých děr s přesností zhruba 12 % vůči jejich skutečné hmotnosti. Tato vlastnost bude nesmírně užitečná, neboť mezi fyziky v současnosti probíhá debata o tom, proč vlastně supermasivní černé díry existovaly již tak brzy v dějinách vesmíru. Určení jejich přesné hmotnosti vědcům pomůže pochopit, jak přesně narostly do takových rozměrů, případně zda naměřené hodnoty nebyly nějakým způsobem zkreslené.

Třetím aspektem této simulace je skutečnost, že nová sada detektorů by měla být schopna přesně určit polohu těchto splývajících „dvojhvězdných“ systémů s přesností na přibližně 60 čtverečních stupňů – a to minimálně v 60 % případů. Spojení těchto údajů o poloze s informacemi z obřích radioteleskopů, jako je Square Kilometer Array (SKA), umožní vědcům propojit černé díry s dalšími kosmologickými jevy, například s prouděním neutrálního vodíku napříč vesmírem.

Je pravda, že celý tento vědecký potenciál závisí na dvou zatím nepostavených detektorech umístěných ve zcela odlišných částech světa. Každý z nich představuje soubor technických výzev, které je teprve nutné překonat. Pokud se to však podaří, získáme jako lidstvo první jasný průhled do posledních okamžiků hvězd, které nám přinesly prvotní světlo.

Zdroj: https://www.universetoday.com/articles/next-gen-gravitational-wave-detectors-could-spot-the-first-black-holes

autor: František Martinek