Gravitaci známe jako sílu, která drží naše nohy na zemi a způsobuje, že věci padají „dolů“. Také udržuje Měsíc na oběžné dráze kolem Země a drží planety kolem Slunce. Když však přiblížíme nejmenší měřítka reality, daleko menší než atomy, začnou se fyzikální pravidla měnit. Nastupují podivné zákony kvantové mechaniky, kde se částice mohou objevovat a mizet, nebo dokonce existovat v superpozici dvou míst najednou. V této kvantové říši není nic zcela jisté.
Další přírodní síly, jako je elektromagnetismus, byly úspěšně popsány v kvantovém rámci. Gravitace však takovému zacházení odolala. Jeho síla je neobyčejně nízká ve srovnání s ostatními silami, takže kvantové efekty gravitace se obtížně zkoumají. Matematika potřebná ke sloučení kvantové mechaniky s gravitací je také notoricky obtížná. Fyzikům také chybí technologie a experimenty, aby ji plně prozkoumali.
Přírodní laboratoř
To je důvod, proč je černá díra často uváděna jako nejlepší přírodní laboratoř pro studium kvantové gravitace. Jsou to oblasti časoprostoru, kde je gravitace tak intenzivní, že nic, ani světlo, nemůže uniknout. Přesto černé díry nejsou zcela „černé“. V 70. letech 20. století anglický teoretický fyzik Stephen Hawking ukázal, že by z nich mělo unikat slabé množství energie, nyní nazývané Hawkingovo záření, kvůli kvantovým efektům poblíž horizontu událostí, hranice, za kterou nemůže nic uniknout.
Tato předpověď naznačovala, že gravitace a kvantová fyzika se vzájemně ovlivňují, ačkoli fyzici ještě nerozumí všem detailům. V této souvislosti nová teoretická studie navrhuje, že velmi malé černé díry – nazývané „sousto černých děr“ – které se pravděpodobně vytvořily při prudkých kosmických srážkách, by mohly sloužit jako jedinečnější sondy kvantové gravitace.
„Sousto černých děr jsou hypotetické mikročerné díry, mnohem menší než jejich mateřské černé díry – hmotnostně zhruba srovnatelné s asteroidy – a proto jsou mnohem žhavější,“ uvedl v prohlášení Giacomo Cacciapaglia, výzkumník z Francouzského národního centra pro vědecký výzkum (CNRS) a spoluautor nové studie.
Příspěvek byl přijat k publikaci v r Jaderná fyzika B v srpnu.
Silně vyzařujte
Kousky černých děr jsou pozůstatky sloučení černých děr a mohly by poskytnout bezprecedentní pohled na kvantovou povahu prostoru a času. Pozoruhodné je, že vědci tvrdili, že signály z těchto kousků by za příznivých podmínek mohly být již detekovatelné současnými gama dalekohledy.
„Naše práce ukazuje, že pokud se tyto objekty vytvoří, jejich záření by již mohlo být pozorovatelné pomocí současných gama dalekohledů,“ řekl Francesco Sannino, teoretický fyzik na University of Southern Denmark a další spoluautor.
Myšlenka spočívá na otázce: jak se gravitace chová na kvantové úrovni?
Stejně jako jejich mateřské černé díry by i sousta vyzařovala Hawkingovo záření, ale při mnohem vyšších teplotách. Velké astrofyzikální černé díry jsou příliš studené na to, aby bylo jejich záření detekovatelné. Malé černé díry by však silně vyzařovaly a v zásadě produkovaly pozorovatelné vysokoenergetické fotony a neutrina.
Kvůli jejich zvýšeným teplotám by se sousta také rychle vypařovala a uvolňovala výbuchy vysokoenergetických částic. Výpočty naznačují, že tyto výbuchy by vytvořily zřetelný, detekovatelný podpis, který by se mohl projevit jako zpožděná emise gama záření po sloučení černých děr.
Zpožděný výbuch
Přestože sousta dosud nebyla pozorována, vědci tvrdili, že jejich tvorba je pravděpodobná. V extrémních podmínkách sloučení černých děr může srážka „odtrhnout“ malé, husté kapsy časoprostoru dostatečné k vytvoření sousta. Ty by se pak vypařovaly Hawkingovým zářením, přičemž životnost se pohybovala od milisekund až po roky v závislosti na jejich hmotnosti.
Detekce Hawkingova záření z kousků by byla více než jen pozorovací novinkou. Hawkingovo záření nese otisky základní kvantové struktury časoprostoru. Jeho spektrum by v principu mohlo odhalit odchylky od existujících teorií subatomárních částic a ukázat na „novou fyziku“. Zatímco takové interpretace zůstávají spekulativní, scénář sousta nabízí vzácné a testovatelné okno do kvantové gravitace – oblasti, která obvykle leží daleko za experimentálním dosahem.
Protože urychlovače částic, jako je Velký hadronový urychlovač v Evropě, nemohou zkoumat tak extrémní energetické rozsahy, mohly by tyto přírodní laboratoře fungovat jako „kosmické urychlovače“, které by fyzikům umožnily přístup k energetickým režimům, které jsou na Zemi jinak nedostupné.
Předpovězeným pozorovacím znakem by byl zpožděný výboj vysokoenergetických gama paprsků vyzařujících více izotropně – tj. rovnoměrně ve všech směrech – než tradiční záblesky gama záření, které jsou obvykle koncentrovány do paprsků. Několik existujících nástrojů se dobře hodí k vyhledávání takových výbuchů. Patří mezi ně High Energy Stereoscopic System (HESS) v Namibii, High-Altitude Water Cherenkov Observatory (HAWC) v Mexiku, Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) v Číně a Fermiho gama kosmický dalekohled na oběžné dráze kolem Země.
Skutečná povaha vesmíru
Za hranice teorie vědci také analyzovali data shromážděná HESS, když navázala na události sloučení velkých černých děr, aby stanovili horní limity pro hmotnosti, které by mohly být sevřeny jako sousta. Označili to za svůj první pokus o ověření své hypotézy pozorováním.
„Ukázali jsme, že pokud se během sloučení vytvoří sousta černých děr, vytvoří záblesk vysokoenergetických gama paprsků se zpožděním souvisejícím s jejich hmotností,“ řekl Dr. Cacciapaglia. „Naše analýza ukazuje, že tento nový typ signálu s více posly by nám mohl poskytnout přímý experimentální přístup ke kvantovým gravitačním jevům.“
Navzdory vzrušení zůstává mnoho nejistot. Přesné podmínky, za kterých by se sousta mohla tvořit, zatím nejsou známy a chybí úplné simulace dynamiky slučování. Autoři také uvedli, že plánují vylepšit své modely a prozkoumat realističtější masové scénáře, zatímco astronomové pokračují v prohledávání současných a budoucích datových sad.
Nakonec, pokud existují sousta, mohla by pomoci odpovědět na některé z nejhlubších otázek fyziky o skutečné povaze prostoru, času a gravitace.
Qudsia Gani je odbornou asistentkou na katedře fyziky, Government Degree College Pattan, Baramulla.
Publikováno – 4. listopadu 2025 16:00 IST
