Fyzici pred desiatimi rokmi prvýkrát zachytili drobné vlny šíriace sa priestorom, ktoré vyvolali dve čierne diery, keď sa k sebe približovali pred zrážkou, ktorá otriasla kozmom. Teraz sme sa možno konečne priblížili k vyriešeniu záhady, ktorá odvtedy zamestnáva odborníkov: ako tieto dvojice čiernych dier vznikajú? Laserové interferometrické observatórium gravitačných vĺn LIGO s dvoma obrovskými optickými zariadeniami v štátoch Louisiana a Washington spolu s talianskym detektorom Virgo zaznamenalo viac ako 300 takýchto splynutí. Štatistické analýzy týchto údajov v posledných mesiacoch ukázali, že na rozdiel od pôvodných očakávaní možno dvojice čiernych dier rozdeliť na tri typy, ktoré vznikajú tromi rôznymi spôsobmi.
„Ešte pred dvoma rokmi sme nemali ucelenú predstavu o tom, čo sa deje. Teraz to do seba začína zapadať,“ hovorí Vicky Kalogera, astrofyzička z Northwestern University a spoluautorka jednej z nových štúdií. Daniel Holz, teoretický astrofyzik z Chicagskej univerzity, ktorý sa na výskumoch nepodieľal, považuje výsledky za potvrdenie sily štatistických metód. Tie dokážu odhaliť „subpopulácie“ splynutí napriek tomu, že takmer pri každom jednotlivom splynutí boli merania príliš nepresné na to, aby ho bolo možné samostatne zaradiť do niektorej kategórie.
Kozmická choreografia
Čierna diera je mimoriadne silné gravitačné pole, ktoré zostane po zrútení jadra hmotnej hviezdy do nepatrného priestoru. Keď dve čierne diery vytvoria dvojicu a rútia sa k sebe rýchlosťou dosahujúcou značnú časť rýchlosti svetla, vyžarujú špirálové gravitačné vlny. LIGO a Virgo merajú prechodné rozťahovanie a zmršťovanie priestoru. Tieto vlny zaznamenávajú ako krátke oscilujúce signály, ktorých frekvencia a amplitúda rastú až do samotného splynutia čiernych dier.
Pred prvými výsledkami LIGO považovali teoretickí fyzici za pravdepodobné dva základné spôsoby vzniku dvojíc čiernych dier. Môžu sa vyvinúť z dvoch hviezd, ktoré vznikli z toho istého víriaceho oblaku plynu a obiehali okolo seba. Ide o takzvané „dvojhviezdy v galaktickom poli“. Čierne diery však môžu vzniknúť aj samostatne a následne sa spojiť do dvojice pri gravitačnej interakcii, počas ktorej je tretí objekt vymrštený zo sústavy. Najpravdepodobnejším miestom takýchto dynamických splynutí sú husté hviezdokopy s veľkým počtom čiernych dier.
Aby vedci z LIGO a Virgo spolu s japonskými kolegami z detektora gravitačných vĺn Kamioka (KAGRA) rozlíšili jednotlivé spôsoby vzniku dvojíc, skúmali smer rotácie čiernych dier.
Čierne diery pochádzajúce z dvojhviezdy v galaktickom poli by mali rotovať rovnakým smerom, akým okolo seba obiehajú. Ak sa však čierne diery spoja do dvojice až po svojom vzniku, smery ich rotácie budú náhodné.
Určiť smer rotácie čiernych dier zo signálov gravitačných vĺn nie je jednoduché. Ak oba objekty rotujú približne rovnakým smerom, moment hybnosti spojený s ich rotáciou predlžuje vlnový signál. Ak sú smery rotácie približne opačné, signál je kratší. A ak osi rotácie ležia v obežnej rovine, tá môže vykonávať precesný pohyb, teda sa kývať, čo môže spôsobovať nestabilitu signálu.
Nový katalóg
Vôbec nebolo isté, či oba mechanizmy vytvárajú dvojice podobným tempom. Odborníci preto predpokladali, že jeden z nich bude prevládať, hovorí Sharan Banagiri, astrofyzik z Monashovej univerzity, ktorý sa venuje gravitačným vlnám. Tento predpoklad sa však ukázal ako zásadne mylný, dodáva.
S pribúdajúcimi zaznamenanými udalosťami sa neobjavoval jednoznačný vzorec. Teoretickí fyzici si zároveň uvedomili, že ani interpretácia signálov nie je taká jednoznačná, ako si spočiatku mysleli. Dvojice, ktoré vznikajú dynamicky v disku okolo supermasívnej čiernej diery v strede galaxie, môžu mať sklon rotovať rovnakým smerom, a tým napodobňovať dvojice pochádzajúce z dvojhviezd v galaktickom poli. V takýchto dvojhviezdach zas môže výbuch supernovy, ktorý premení prvú hviezdu na čiernu dieru, radikálne zmeniť orientáciu osi aj rotáciu druhej hviezdy.
Najnovšie štatistické analýzy verejne dostupných údajov LIGO-Virgo-KAGRA ukazujú, že dvojice čiernych dier možno rozdeliť najmenej na tri typy.
V dvojiciach s nízkou hmotnosťou, v ktorých má hmotnejšia čierna diera menej než približne 10 hmotností Slnka, bývajú osi rotácie rovnobežné s osou obežnej dráhy a hmotnosti oboch objektov nemusia byť rovnaké. To zodpovedá vzniku z dvojhviezdy v galaktickom poli. Ak má hmotnejšia čierna diera 10 až 30 hmotností Slnka, smery rotácie bývajú rozložené náhodne a hmotnosti oboch objektov sú podobné. To zodpovedá dynamickému mechanizmu, ktorý účinnejšie spája čierne diery s približne rovnakou hmotnosťou.
Ak má hmotnejšia čierna diera viac než 30 hmotností Slnka, rýchlosť rotácie čiernych dier sa môže blížiť k teoretickému maximu danému ich hmotnosťou. Ľahšia čierna diera má pritom zvyčajne približne polovičnú hmotnosť oproti ťažšej. Tieto vlastnosti naznačujú takzvané hierarchické splynutie, teda dynamické splynutie, pri ktorom je hmotnejšia čierna diera sama výsledkom skoršieho splynutia. Väčšia čierna diera v takom prípade rotuje rýchlo, pretože zdedila moment hybnosti pochádzajúci z obežného pohybu svojich predchodkýň.
Modely a pravdepodobnosti
Vedci pri štatistických analýzach použili rôzne prístupy. Banagiri, Paul Lasky a ich kolegovia z Monashovej univerzity pracovali s počtom typov čiernych dier ako s premennou. Pomocou bayesovskej štatistiky ukázali, že údaje podporujú existenciu troch typov, nie viacerých, ako uviedli začiatkom augusta 2026 v časopise Physical Review Letters. Sylvia Biscoveanu, astrofyzička z Princetonskej univerzity, a jej kolegovia použili podobný prístup vo svojej štúdii zverejnenej na preprintovom serveri arXiv. Anarya Ray, Kalogera a ich kolegovia z Northwestern University naopak vychádzali z predpokladu, že existujú tri typy dvojíc čiernych dier. Následne ukázali, že na dosiahnutie zhody s údajmi musia existovať všetky tri. Výsledky opisujú v štúdii, ktorej uverejnenie v časopise The Astrophysical Journal Letters bolo avizované na blízke obdobie.
Výskumníci upozorňujú, že závery vyvodené z iba 300 skúmaných splynutí sú zatiaľ predbežné.
„Táto oblasť práve prechádza veľmi hlučným obdobím, a to doslova aj obrazne,“
hovorí Ray. S pribúdajúcimi údajmi a výstavbou ešte väčších a citlivejších detektorov gravitačných vĺn sa môže klasifikácia dvojíc čiernych dier meniť a počet typov rásť. „Stavil by som sa, že príroda využíva nejakú kombináciu týchto mechanizmov, ale veľkú sumu by som nevsadil na to, že sme už našli presnú odpoveď,“ hovorí Thomas Callister, astronóm z Williams College, ktorý sa venuje gravitačným vlnám.
Na väčšiu istotu budeme potrebovať aj iné druhy údajov, hovorí Maya Fishbach, astrofyzička z Torontskej univerzity. „Musíme sa oprieť o pozorovania hmotných hviezd, dvojhviezd, hviezd v hviezdokopách aj supernov, pri ktorých tieto čierne diery vznikajú. To všetko musí vytvoriť ucelený obraz,“ dodáva.
Ak dvojice čiernych dier skutočne vznikajú viacerými spôsobmi a na rôznych miestach, ich splynutia nám môžu otvoriť okno do týchto zákutí kozmu, poznamenáva Holz. Táto vyhliadka môže zmierniť sklamanie teoretikov z toho, že sa ich pôvodný predpoklad o jedinom dominantnom mechanizme nepotvrdil. „Človek vždy chce, aby práve jeho model zvíťazil a všetko vysvetlil. Pre celú vedeckú komunitu je však v skutočnosti oveľa lepšie, keď v tom zostane trochu zmätku, pretože sa tak oveľa viac naučíme,“ hovorí výskumník.
