Černé díry, nejzáhadnější objekty ve vesmíru, se obvykle dělí do dvou dobře prozkoumaných kategorií: černé díry hvězdné hmotnosti, které jsou zbytky zhroucených masivních hvězd, a supermasivní černé díry, jež kotví v centrech většiny galaxií. Přetrvává však značná mezera v astronomickém poznání, pokud jde o černé díry střední hmotnosti – ty, které mají stovky až stovky tisíc násobků hmotnosti Slunce. Překlenutí této „mezery v hmotnosti“ je klíčové pro pochopení kosmické evoluce, neboť mechanismy vzniku těchto středně velkých černých děr zůstávají z velké části neznámé. Nedávný pokrok v astronomii gravitačních vln nyní poskytuje bezprecedentní vhled do těchto nepolapitelných entit.
- Černé díry se dělí na hvězdné a supermasivní, avšak existuje mezera v pochopení černých děr střední hmotnosti (IMBH).
- IMBHs mají hmotnost stovky až stovky tisíc násobků Slunce a jejich vznik je dosud neznámý.
- Observatoř LIGO detekuje gravitační vlny, klíčové pro objevování a studium IMBH.
- Teoretická „mezera v hmotnosti“ (zhruba 60-100 solárních hmotností) brání přímému vzniku černých děr z kolapsu hvězd.
- Data z třetího pozorovacího běhu LIGO (O3) naznačila existenci „lehkých IMBH“, zpochybňující tradiční modely vzniku.
- Objevy podporují hypotézu, že masivní černé díry mohou vznikat prostřednictvím hierarchických sloučení menších černých děr.
Astronomové se po desetiletí snažili pochopit, jak se černé díry vyvíjejí, zejména pak přechod od objektů o velikosti hvězd k galaktickým gigantům. Výzva spočívá v přímém pozorování těchto černých děr střední hmotnosti (IMBH), které jsou mnohem méně běžné a obtížněji detekovatelné než jejich hvězdné nebo supermasivní protějšky. Toto hledání se zintenzivnilo s příchodem observatoří schopných detekovat gravitační vlny – vlnění časoprostoru způsobené kataklyzmatickými kosmickými událostmi, jako je například sloučení dvou černých děr.
Detekce kosmických kolizí pomocí gravitačních vln
Observatoř gravitačních vln s laserovým interferometrem (LIGO) slouží jako primární nástroj v tomto úsilí. LIGO funguje tak, že využívá přesná laserová měření k detekci nepatrných deformací v časoprostoru, když jím procházejí gravitační vlny. Když se dvě černé díry sloučí, vyzařují v gravitačním vlnovém spektru charakteristický „štěbětavý“ signál, který vědcům umožňuje určit klíčové parametry události, včetně hmotností slučujících se „rodičovských“ černých děr a výsledné, masivnější černé díry, spolu s jejich polohou a vzdáleností.
Zatímco mnohá detekovaná sloučení černých děr zahrnují černé díry hvězdné hmotnosti, zaměření současného výzkumu se rozšiřuje na identifikaci těch, které by mohly překlenout mezeru v hmotnosti. Tato teoretická mezera, pramenící ze složité jaderné fyziky, naznačuje, že hvězdy přesahující určitou hmotnost (zhruba 60 až 100 násobků hmotnosti Slunce) se obvykle po kolapsu přímo nepřemění na černé díry. V důsledku toho jakákoli černá díra objevená v tomto rozsahu nebo nad ním, a přitom se nekvalifikující jako supermasivní, představuje hlubokou záhadu ohledně svého původu.
Odhalování „lehkých“ černých děr střední hmotnosti
Černé díry spadající do tohoto záhadného rozsahu jsou často označovány jako „lehké černé díry střední hmotnosti“ (lite IMBHs). Tyto objekty jsou obzvláště významné, protože jejich existence zpochybňuje konvenční chápání hvězdné evoluce a vzniku černých děr. Nejsou přímými produkty typického hvězdného kolapsu, což naznačuje alternativní, složitější cesty vzniku.
Nedávná analýza 11 kandidátů na sloučení černých děr z třetího pozorovacího běhu LIGO přinesla přesvědčivé důkazy o existenci těchto lite IMBHs. Výzkum ukazuje, že pět z černých děr vzniklých po sloučení během těchto událostí spadalo s vysokou spolehlivostí (90 %) do rozsahu lite IMBH. Ještě pozoruhodnější je, že jedna událost zahrnovala „rodičovskou“ černou díru, která již spadala do mezery v hmotnosti, a dvě události zahrnovaly rodičovské černé díry, které tuto hranici překračovaly. To naznačuje, že takto masivní černé díry se buď tvoří jinými mechanismy než přímým hvězdným kolapsem, nebo jsou samy produktem dřívějších sloučení černých děr.
Objev těchto rodičovských černých děr v mezeře v hmotnosti nebo nad ní je stěžejním zjištěním. Poskytuje konkrétní důkaz, že vesmír disponuje mechanismy pro vytváření černých děr těchto hmotností, potenciálně prostřednictvím hierarchických sloučení, kde se menší černé díry časem slučují. Pochopení toho, jak často se černé díry slučují a za jakých podmínek, je zásadní pro modelování růstu a evoluce struktur v kosmu.
Vzhledem k tomu, že LIGO dokončuje svůj čtvrtý pozorovací běh, vědecká komunita očekává aplikaci pokročilých analytických technik na tento nový datový soubor. Pokračující výzkum lite IMBHs slibuje upřesnění našeho pochopení jejich mechanismů vzniku a posílení argumentů pro jejich rozšířenost, což dále osvětlí kritický chybějící článek v kontinuu černých děr a širším kosmickém vyprávění.