Daleko v hlubinách vesmíru se dvě černé díry spirálovitě přiblížily k sobě a splynuly. Silné gravitační vlny z tohoto tance smrti se ženou vesmírem, dokud jejich vlnění nedosáhne tří obřích detektorů na Zemi: dvou s americkou observatoří LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) a evropského detektoru Virgo v Itálii.

Detektory za posledních 5 let zaznamenaly desítky takových kataklyzmat, ale to 21. května 2019 bylo jiné. Nejenže šlo o nejsilnější a nejvzdálenější splynutí, jaké kdy bylo pozorováno, ale výsledná černá díra také patří do třídy dlouho hledaných černých děr střední hmotnosti, uvádějí dnes členové kolaborace LIGO-Virgo ve dvou nových studiích. Záhadné však je, že obě černé díry, které se spojily, jsou těžší, než se očekávalo:

Černé díry hvězdné třídy obvykle vznikají tehdy, když velké hvězdě dojde jaderné palivo a zastaví se burácející motor světla a tepla. Bez tohoto vnějšího tlaku se vnější vrstvy hvězdy pod vlivem gravitace zhroutí, což vyvolá kolosální supernovu a zanechá za sebou černou díru. U těch největších hvězd je však kolaps ještě katastrofálnější a způsobí termonukleární explozi, která hvězdu zničí a nic po sobě nezanechá. Teoreticky to znamená, že by měla existovat hranice hmotnosti černé díry přibližně na úrovni 65 hmotností Slunce.

Do května 2019 splynutí černých děr detekované pomocí LIGO a Virgo tuto hranici hmotnosti do značné míry podporovalo. Pak přišla událost známá jako GW190521, která trvala pouhou jednu desetinu sekundy. Nebyla zaznamenána obvyklými algoritmy, které vyhledávají splynutí dvojhvězd (která obvykle trvají několikanásobně déle), ale byla zachycena samostatným postupem, který hledá „věci, které bouchnou“, říká Nelson Christensen, fyzik z observatoře Cote d’Azur v Nice a člen týmu LIGO-Virgo.

Přestože byl signál krátký – jen čtyři vlnové cykly nahoru a dolů – tým jej mohl analyzovat, rozebrat jeho amplitudu, tvar a to, jak se jeho frekvence měnila v čase. „Bylo velmi obtížné ho interpretovat,“ říká členka týmu Alessandra Buonanno, ředitelka Institutu Maxe Plancka pro gravitační fyziku (Institut Alberta Einsteina). „Strávili jsme spoustu času přesvědčováním, abychom věřili tomu, co jsme zjistili.“

Ve dvou dnes publikovaných článcích – jeden popisuje detekci v časopise Physical Review Letters a druhý interpretuje data v časopise The Astrophysical Journal Letters – společný tým LIGO-Virgo uvádí, že model, který nejlépe odpovídá datům, je model dvou černých děr – o hmotnosti přibližně 66 a 85 hmotností Slunce -, které se spojily do černé díry o hmotnosti 142 Sluncí. Zbývajících osm hmotností Slunce by se přeměnilo na energii gravitačních vln. „Byla docela podstatně větší než cokoli, co jsme dosud viděli,“ říká Christensen.

Černá díra o hmotnosti 142 hmotností Slunce ji okamžitě řadí do své vlastní třídy. Zatímco astronomové již dlouho vědí o menších černých dírách a o obrech v galaktických centrech tvořených miliony či miliardami Sluncí, černé díry střední velikosti – od 100 do 100 000 hmotností Slunce – nápadně chyběly. Astronomové se domnívají, že jsou potřebné jako stavební kameny pro supermasivní černé díry, a existují nepřímé důkazy o jejich existenci, ale toto je možná zatím nejpřesvědčivější pozorování, i když přímo na spodní hranici rozsahu. „Je to jen náznak, že v tomto rozmezí hmotností něco existuje,“ říká astrofyzik Avi Loeb z Harvardovy univerzity, který se na studii nepodílel.

Možná zajímavější pro astrofyziky je původ dvou splývajících černých děr. Ta lehčí se nachází přímo na hranici hmotnostní mezery, takže mohla klidně vzniknout z jediné gargantuovské hvězdy. Ale 85 hmotností Slunce je těžko vysvětlitelných. „Je to vzrušující, protože to bylo nečekané,“ říká Loeb. „Hmotnostní mezera byla robustní, ale nyní se otevírají dveře novým modelům.“

Ve své interpretační práci se tým zabýval mnoha možnými vysvětleními. Černé díry by mohly být primordiální, které se zde potloukaly od dob vřavy raného vesmíru před zrodem prvních hvězd. Nebo to mohly být malé černé díry, u nichž došlo ke splynutí, které bylo zvětšeno gravitačním čočkováním. Nebo možná – ještě exotičtěji – vlnění pochází z kosmických strun, hypotetických defektů ve vakuu, které zůstaly po velkém třesku. Žádné z těchto vysvětlení však neodpovídalo datům tak dobře jako dvojice splývajících těžkých vah. Tým se tedy vrátil ke „staré dobré Occamově břitvě“, říká Christensen: Nejjednodušší vysvětlení je pravděpodobně správné.

Loeb se domnívá, že těžké váhy jsou pravděpodobně „vícegenerační“, kdy se menší černé díry v hustých hvězdotvorných oblastech spojují vícekrát, aby vytvořily hmotnosti vyšší než mezní. Galaxie jsou často obklopeny hustými shluky hvězd zvanými kulové hvězdokupy. Ty mohou obsahovat stovky tisíc starých hvězd: ideální živnou půdu pro černé díry. Jak černé díry klesají směrem ke středu kulové hvězdokupy, je pravděpodobnější, že se spojí s dalšími. „Tato prostředí jsou specializovaná, a proto je nacházíme až nyní,“ říká poté, co sondy LIGO a Virgo zaznamenaly více než 60 fúzí.

Ve hvězdokupách se však pravděpodobně nacházejí černé díry o různých hmotnostech a při šikmých fúzích vznikají asymetrické výbuchy, které mohou novou černou díru vykopnout z hvězdokupy rychlostí až 1000 kilometrů za sekundu. Aby mohly být hvězdokupy školkami pro černé díry v hmotnostní mezeře, musí být odrazy nízké a hvězdokupy musí být dostatečně hmotné, aby jim zabránily v úniku, říká Loeb.

LIGO a Virgo jsou modernizovány a v roce 2022 mají znovu zahájit pozorování se zvýšenou citlivostí, což jim umožní zkoumat třikrát větší část vesmíru. Nalezení dalších takových těžkých fúzí nás „poučí o astrofyzice takových hvězdných školek,“ říká Loeb. „Čím více událostí budeme mít, tím více vodítek o jejich původu.“