Černé díry z doby před Velkým třeskem by mohly existovat i dnes jako „kosmické fosilie“

Nový výzkum, který vedl profesor Enrique Gaztañaga z University of Portsmouth a Institute of Space Sciences, Barcelona, naznačuje, že některé černé díry vznikly před Velkým třeskem a přežily tzv. kosmický „odraz“, což by mohlo vysvětlovat temnou hmotu, gravitační vlnové pozadí a raný růst supermasivních černých děr a galaxií.

„Téměř sto let kosmologové sledují historii vesmíru zpět k jedinému dramatickému okamžiku známému jako Velký třesk,“ řekl profesor Gaztañaga. „Ve standardním modelu se prostor a čas vynořily z extrémně horkého a hustého stavu asi před 13,8 miliardami let, po kterém následovaly miliardy let kosmické expanze a formování galaxií.“

Tento model byl pozoruhodně úspěšný. Vysvětluje kosmické mikrovlnné pozadí (CMB) – slabé záření, které zbylo z raného vesmíru – a přesně předpovídá, jak jsou galaxie rozloženy napříč obrovskými kosmickými dálavami.

Některé z nejhlubších záhad fyziky však zůstávají nevyřešeny. Stále nevíme, co spustilo Velký třesk, proč vesmír začal v tak zvláštním stavu, co způsobilo krátký výbuch rychlé expanze známý jako inflace, ani co je ta neviditelná temná hmota, která převyšuje běžnou hmotu asi pětkrát.

Náš výzkum zkoumá možnost, která by mohla propojit několik z těchto hádanek: vesmír možná vůbec nezačal jediným třeskem, ale místo toho vznikl z kosmického odrazu napodobujícího inflaci, přičemž některé z nejstarších objektů ve vesmíru potenciálně přežily jako pozůstatky z doby před ním.

Některé černé díry se mohly zformovat během dřívější kosmické fáze a přežít odraz, zanechávající po sobě reliktní objekty, které mohou ovlivňovat strukturu galaxií i o miliardy let později. Jiné se mohly zformovat krátce po odrazu v důsledku zesílených fluktuací hustoty, kdy byla hmota v raném vesmíru nerovnoměrně rozložena v silnějších, výraznějších shlucích než obvykle.

Tyto zesílené shluky hmoty by se snáze zhroutily pod vlivem vlastní gravitace, což by zvýšilo pravděpodobnost vzniku velkých kosmických struktur – a černých děr – již v rané fázi.

V Einsteinově teorii obecné relativity odpovídá Velký třesk singularitě – bodu, kde se hustota stává nekonečnou a známé fyzikální zákony se hroutí. Mnoho fyziků to interpretuje jako znamení, že náš současný popis nejranějších okamžiků vesmíru je neúplný.

Jednou z alternativních teorií je teorie odrážející se kosmologie, ve které náš vesmír vzniká z velmi velkého oblaku, který se nejprve smršťuje a poté se vrací do expanze. Namísto kolapsu do nekonečné singularity vesmír dosáhne velmi vysoké, ale konečné hustoty, než obrátí svůj pohyb.

„Singularity často signalizují, že náš teoretický popis dosáhl svých limitů,“ řekl profesor Gaztañaga. „Odraz umožňuje vesmíru přejít z kontrakce do expanze, aniž by to vyžadovalo novou exotickou fyziku.“

Vědci naznačují, že odraz by mohl přirozeně vznikat z kvantové fyziky. Při extrémně vysokých hustotách vytvářejí kvantové efekty silný tlak, který brání neomezenému stlačování hmoty – jev, který již stabilizuje husté objekty, jako jsou bílí trpaslíci a neutronové hvězdy, a reprodukuje inflační fázi expanze.

V novém modelu by se podobný efekt mohl projevit i v kosmickém měřítku. Jak se vesmír smršťuje, tento kvantový tlak by mohl zastavit kolaps a spustit návrat k expanzi. Tento odraz by mohl také vysvětlit dvě z největších záhad v kosmologii.

Zaprvé, může vysvětlovat, proč se raný vesmír tak rychle a rovnoměrně rozpínal všemi směry. Zadruhé, mohl by objasnit, proč se zdá, že se vesmír dnes ve svém rozpínání zrychluje, což je efekt, který je v současnosti připisován špatně pochopené síle zvané temná energie.

Jedním z pozoruhodných důsledků je, že některé struktury vytvořené během fáze kolapsu mohly přežít tento odraz. Nové výpočty naznačují, že kompaktní objekty o velikosti větší než zhruba 90 m by mohly projít přechodem a znovu se objevit v rozpínajícím se vesmíru jako fosilie z minulosti. Mezi možné pozůstatky patří gravitační vlny, fluktuace hustoty a starověké černé díry. Tyto reliktní černé díry by mohly pomoci vysvětlit temnou hmotu, neviditelnou substanci, která formuje galaxie a rozsáhlou strukturu vesmíru.

Pokud by se jich během odrazu vytvořilo velké množství, mohly by tvořit významnou část – potenciálně i veškerou – temnou hmotu.

Tato myšlenka by také mohla pomoci vysvětlit nedávné objevy vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST), který objevil neočekávaně hmotné objekty v raném vesmíru, někdy přezdívané malé červené tečky. Mnoho astronomů má podezření, že tyto zdroje souvisí s rychle rostoucími černými dírami, které se objevily překvapivě brzy po Velkém třesku.

„Pokud by masivní černé díry existovaly již bezprostředně po odrazu, raný vesmír by nemusel při budování prvních galaxií začínat od nuly,“ řekl profesor Gaztañaga.

Teorie také nabízí předpovědi, které by mohly být ověřeny budoucími pozorováními. Vědci by mohli hledat reliktní gravitační vlny z předchozí kosmické fáze nebo jemné vzory v reliktním záření, které zachovávají stopy vesmíru před Velkým třeskem.

„Na ověření těchto myšlenek zbývá ještě mnoho práce,“ řekl profesor Gaztañaga. „Pokud by ale vesmír skutečně zažil odskok, tmavé struktury, které dnes formují galaxie, by mohly být pozůstatky kosmické epochy, která předcházela Velkému třesku.“

Článek byl publikován v časopise Physical Review D.

Zdroj: https://www.sci.news/astronomy/relic-black-holes-14704.html

autor: František Martinek