Vědci odhalují, jak zvonění černých děr prozrazuje jejich hmotnost a rotaci

Když se ve vesmíru sloučí dvě černé díry, nevznikne jen prostý součet jejich hmoty. Výsledný objekt se na okamžik zachvěje jako zvon, který právě někdo udeřil, a toto chvění vyzáří do prostoru v podobě gravitačních vln. Fyzikové tomuto jevu říkají rezonance, respektive kvazinormální módy, a právě ony v sobě nesou informaci o tom, jak přesně nová černá díra vypadá a jak se chová.

Detekce gravitačních vln, která byla poprvé úspěšně provedena v roce 2015, otevřela vědcům zcela nový způsob, jak černé díry zkoumat. Do té doby byla existence těchto vln pouze teoretickou předpovědí vyplývající z obecné teorie relativity. Od té doby se z gravitačních vln stal standardní nástroj astrofyziky a umožnil pozorovat desítky srážek černých děr i neutronových hvězd. Každá taková srážka vysílá charakteristický signál, jehož poslední fáze – takzvané dozvučení neboli ringdown – odpovídá právě zmíněným kvazinormálním módům.

Rezonance vznikající po sloučení černých děr přitom není náhodná. Její frekvence a rychlost útlumu závisí především na dvou vlastnostech výsledné černé díry: na její hmotnosti a na tom, jak rychle rotuje. Čím hmotnější a rychleji rotující černá díra je, tím odlišnější je charakter jejího „zvonění“. Díky tomu mohou vědci ze zachyceného signálu zpětně odvodit parametry objektu, aniž by ho museli přímo pozorovat jinými metodami.

Zajímavé je, že tento princip funguje i v prostorech s více než čtyřmi rozměry, tedy nad rámec obvyklých tří prostorových a jednoho časového rozměru, se kterými pracuje běžná fyzika. Vysokodimenzionální černé díry jsou primárně teoretickým konceptem, který se objevuje ve snaze sjednotit obecnou relativitu s kvantovou fyzikou, například v rámci teorie strun. V takových modelech mohou mít černé díry symetrie, které v běžném čtyřrozměrném prostoru neexistují, a jejich rezonanční chování se od těch pozorovaných ve vesmíru výrazně liší.

Podstatné je, že charakter rezonance se mění také v závislosti na tom, jaký zákon gravitace se v daném modelu použije. Pokud se od standardní obecné relativity Alberta Einsteina odchýlí, mění se i frekvence a útlum kvazinormálních módů. To dělá z tohoto jevu citlivý test samotné teorie gravitace. Pokud by se totiž skutečné vesmírné signály z detektorů odchylovaly od předpovědí obecné relativity, mohlo by to znamenat, že je potřeba tento zákon upravit nebo doplnit o nové efekty, které dosud nebyly pozorovány.

Vědci proto srovnávají naměřené signály se simulacemi, které počítají, jak by rezonance vypadala podle různých teoretických modelů gravitace. Shoda mezi predikcí a pozorováním dosud potvrzuje platnost obecné relativity i v extrémních podmínkách, jaké panují v okolí černých děr. Přesto zůstává prostor pro odchylky, které by mohly upozornit na nové fyzikální jevy, včetně těch spojených s vyššími dimenzemi prostoru.

Studium vysokodimenzionálních černých děr a jejich symetrií tak spojuje čistě teoretickou fyziku s reálnými pozorováními. Přestože samotné vysokodimenzionální modely nelze přímo testovat ve vesmíru, matematický aparát vyvinutý pro jejich popis pomáhá lépe porozumět i standardním čtyřrozměrným černým dírám a zpřesnit interpretaci dat z gravitačních detektorů.

Výzkum kvazinormálních módů tak zůstává jedním z klíčových nástrojů moderní astrofyziky. Umožňuje nejen ověřovat platnost obecné relativity, ale i hledat stopy nové fyziky, která by mohla vysvětlit dosud nejasné jevy spojené s gravitací a strukturou prostoročasu. S rostoucí citlivostí detektorů gravitačních vln a s vývojem nových observatoří se očekává, že v následujících letech budou vědci schopni zachytit stále jemnější detaily rezonancí, což by mohlo přinést další informace o povaze černých děr i o zákonech, kterými se řídí vesmír na nejzákladnější úrovni.