Mikroskopické černé díry by se mohly skrývat uvnitř asteroidů, měsíců nebo dokonce planet, jako je ta naše

Malé primordiální černé díry (PBH) jsou dnes jedním z nejžhavějších témat v astronomii a kosmologii. Předpokládá se, že tyto hypotetické černé díry vznikly brzy po velkém třesku a vznikly z kapes subatomární hmoty tak hustých, že došlo k jejich gravitačnímu kolapsu.

V současnosti jsou PBH považovány za kandidáta na temnou hmotu, možný zdroj prvotních gravitačních vln a řešení různých problémů ve fyzice. Žádný definitivní kandidát na PBH však dosud nebyl pozorován, což vede k návrhům, jak bychom mohli tyto miniaturní černé díry najít. Nedávný výzkum naznačil, že neutronové a trpasličí hvězdy hlavní posloupnosti by mohly ve svém nitru obsahovat malé PBH, které pomalu spotřebovávají své zásoby plynu.

V nedávné studii tým fyziků rozšířil tuto myšlenku o novou možnost potenciální detekce PBH. V podstatě bychom mohli hledat uvnitř objektů, jako jsou planety a asteroidy, nebo použít velké desky či pláty kovu k detekci známek průchodu PBH. Detekcí mikrokanálů, které by tato tělesa zanechala, by vědci mohli konečně potvrdit existenci PBH a objasnit některé z největších záhad současné kosmologie.

Výzkum provedli De-Chang Dai, fyzik z National Dong Hwa University na Tchaj-wanu a Centra pro vzdělávání a výzkum v kosmologii a astrofyzice (CERCA) na Case Western Reserve University, a Dejan Stojkovic, fyzik ze skupiny fyziky vysokých energií a kosmologie na State University of New York Buffalo.

Článek, který podrobně popisuje jejich zjištění, se nedávno objevil na internetu a nyní se připravuje k publikaci v časopise Physics of the Dark Universe. PBH fascinují vědce již desítky let od doby, kdy jejich existenci v roce 1966 předpověděli ruští vědci Igor D. Novikov a Jakov Zeldovič. Byly také zdrojem zájmu Stephena Hawkinga, jehož práce na PBH vedla v roce 1974 k průlomovému objevu, že černé díry se mohou časem vypařovat.

Zatímco větší a střední černé díry by se vypařovaly déle, než je současné stáří vesmíru (cca 13,8 miliardy let), menší černé díry se již možná vypařily nebo se právě vypařují.

Zájem o PBH však v posledních letech zažívá renesanci, protože slouží jako kandidáti na temnou hmotu, zdroj prvotních gravitačních vln (GW) a další. Stejně jako temná hmota by jejich existence mohla pomoci vyřešit některé zásadní kosmologické záhady, ale dosud nebyla provedena žádná potvrzená pozorování.

Jak De-Chang a Stojkovic sdělili časopisu Universe Today prostřednictvím e-mailu, právě to je motivovalo k návrhu nových detekčních metod:

    „Pokud má asteroid, měsíc nebo malá planeta (planetka) tekuté jádro obklopené pevnou kůrou, pak malá PBH poměrně rychle (během týdnů až měsíců) pohltí husté tekuté jádro. Kůra zůstane neporušená, pokud je materiál dostatečně pevný, aby unesl gravitační napětí.

    Nakonec tedy vznikne dutá struktura. Pokud dojde k vyvržení centrální černé díry (v důsledku srážek s jinými objekty), bude hustota nižší než obvyklá hustota kamenného objektu s kapalným jádrem.“

De-Chang a Stojkovic navíc vypočítali gravitační napětí, které by malé PBH vyvolaly. To pak porovnali s pevností v tlaku materiálů, které tvoří kůru planety, například silikátových minerálů (hornin), železa a dalších prvků. Uvažovali také o nejpevnějších vyrobených materiálech, jako jsou vícestěnné uhlíkové nanotrubičky.

„Zjistili jsme například, že žula může udržet duté struktury až do poloměru 1/10 poloměru Země,“ řekl Stojkovic. „Proto bychom se měli zaměřit na planetky, měsíce nebo asteroidy.“

Tyto výpočty nabízejí prostředky pro hledání důkazů PBH ve vesmíru i zde na Zemi. Možné kandidátské planetky, měsíce nebo asteroidy by mohly být identifikovány v naší Sluneční soustavě pozorováním jejich hmotnosti a poloměru, což by umožnilo odhadnout jejich hustotu. To by astronomům umožnilo identifikovat potenciálně duté objekty pro následné studie sondami, landery a dalšími robotickými vesmírnými misemi. Alternativně doporučují, aby byly sestrojeny senzory pro vyhledávání PBH detekcí jejich průletu. Řekl Stojkovic:

Stojkovičová uvedla: „Pokud malý PBH projde nějakým pevným materiálem, zanechá po sobě rovný dlouhý tunel o poloměru srovnatelném s poloměrem PBH. Například PBH o hmotnosti 1023 g by měla zanechat tunel o poloměru 0,1 mikronu. [Energie], které takové PBH mohou mít, jsou značné, ale [energie], které ukládají do materiálu, jsou velmi nízké. Ve skutečnosti může takový PBH projít i lidským tělem a my bychom si toho ani nevšimli, protože tkáň lidského těla má velmi nízké napětí.“

V tomto duchu mohou vědci hledat mikrotunely v běžných materiálech, které najdeme ležet kolem sebe (jako je sklo nebo kameny). Zároveň, říkají De-Chang a Stojkovic, by se pro tento účel mohly připravit velké desky z leštěného kovu. Podobně jako při detekci neutrin by tyto desky musely být izolovány, aby bylo možné zaznamenat jakoukoli náhlou změnu jejich vlastností.

„Očekávaný tok těchto PBH je velmi malý, a tak se může stát, že nakonec nenajdeme nic, ale případný zisk z nalezení PBH bude obrovský, zejména proto, že takové experimenty budou velmi levné,“ řekl Stojkovic. Jak dodal De-Chang, v posledních letech se objevily návrhy, že některé primordiální černé díry mohou být ukryty ve hvězdách.

S touto myšlenkou kdysi přišel Stephen Hawking a stala se základem dvou studií, z nichž jedna byla zveřejněna v roce 2019 a druhá letos. „Navrhuje se také, že primordiální černé díry mohou vyzařovat gama záření. Silné gama záření v halo temné hmoty Mléčné dráhy může být dobrou nápovědou pro existenci prvotních černých děr,“ uvedl De-Chang. „Gravitační mikročočkování může být dalším způsobem, jak identifikovat primordiální černé díry.“

Autor: Lukáš Drahozal

Zdroj: nature.com, adsabs.harvard.edu, wionews.com