Primordiální černé díry. Kredit: NASA's Goddard Space Flight Center.

V současnosti ve fyzice panuje tak trochu bída, pokud jde o jasné kandidáty na temnou hmotu. Rány osudu schytali snad všichni ti, kdo byli v posledních letech považováni v otázce temné hmoty za slibné objevitele jejího původu.. Mezi těmi teoriemi, které ještě nebyly úplně rozcupovány na cucky, jsou  primordiální černé díry (PBH), doposud zcela hypotetické.

Kaz Kohri. Kredit: NAOJ.

Pokud jde o jejich vznik, tedy čistě hypotetický – pokud primordiální černé díry existují, mohly se zrodit z extrémně hustých shluků subatomárních částic v prvních sekundách po Velkém třesku. Z hlediska klasické relativity by takové černé díry měly být stabilní. Od roku 1975 to ale notně zkomplikoval Stephen Hawking, když přišel s představou, že se černé díry vypařují díky kvantovým jevům, tedy Hawkingovým zářením.

Podle původního Hawkingova pojetí to znamenalo, že by primordiální černé díry měly životnost, která by byla úměrná třetí mocnině jejich počáteční hmotnosti. Vzhledem k tomu, že od Velkého třesku uplynulo 13,8 miliardy let, by do dneška měly přetrvat pouze PBH s počáteční hmotností tak asi bilion kilogramů nebo více. Takové černé díry, pokud by jich bylo hodně, by ale zase odhalily gravitační čočky. Tohle bylo pro PBH hodně zlé.

Jak jsme psali na OSLU letos v lednu, když se vypaří Hawkingovým zářením zhruba původní hmotnosti černé díry, mohl by ji podle nových hypotéz stabilizovat jev spojený se zátěží kvantové paměti (quantum memory burden effect). Jinými slovy, černou díru stabilizuje uskladněná informace a značně prodlouží její životnost.

Kazunori (Kaz) Kohri z japonské NAOJ (National Astronomical Observatory of Japan), jak sám říká, věří v „Memory Burden Effect,“ který je momentálně horkým tématem na poli kvantové gravitace. Podobně jako v případě PBH jde ale opět o zcela hypotetický mechanismus.

Cosmic Explorer. Kredit: Eddie Anaya, California State University Fullerton.

Kohri s kolegy teď navrhli konkrétní způsob, jak by mohla být potvrzena existence PBH pozorováním gravitačních vln, které mohly být vyvolány při vzniku PBH. Tyto gravitační vlny by měly specifické uspořádání, které by mohly zachytit plánované gravitační observatoře, jako jsou vesmírné projekty, například evropská LISA (Laser Interferometer Space Antenna), japonská observatoř DECIGO (DECi-hertz Interferometer Gravitational wave Observatory) nebo evropská BBO (Big Bang Observatory), která by měla nahradit observatoř LISA.

Část spektra uvedených gravitačních vln rozvlněných při vzniku PBH, pokud tedy existují, by měla by měla být zachytitelná na navržené pozemní gravitační observatoři třetí generace Cosmic Explorer. Ta by měla být podobný design jako dnes již legendární LIGO, ale s tím, že by „ramena“ observatoře měla být desetkrát delší čili 40kilometrová.

Video: Theodoros Papanikolaou (APC, Paris) on Ultralight Primordial Black Holes in the Early Universe

Literatura

Phys.org 23. 5. 2025.

Physical Review D 111: 063543.