Záhadné neutrino zamotalo vědcům hlavu. Mohla ho vyslat černá díra ukrytá v pátém rozměru našeho vesmíru?

V únoru 2023 zachytil detektor KM3NeT u pobřeží Sicílie částici, která vědcům pořádně zamotala hlavu. Šlo o neutrino s energií asi 35krát vyšší, než jakou mělo kterékoli podobné částice zachycené před ním. 

Odkud tato částice pocházela zatím není jasné. Jedním z možných vysvětlení je, že jeho zdrojem mohl být blazar, tedy velmi aktivní galaxie. Vědci ale přišli i s mnohem extravagantnějším scénářem: neutrino podle nich mohlo vzniknout při zániku malé černé díry nedaleko Sluneční soustavy.

Černá díra z počátku vesmíru

Takzvané primordiální (prvotní) černé díry jsou zatím pouze hypotetické objekty. Podle některých teorií mohly vzniknout už v nejranějších okamžicích vesmíru. Stejně jako ostatní černé díry by postupně ztrácely hmotnost a nakonec by zanikly v mohutném záblesku záření a neutrin. U velmi malých černých děr by takový konec mohl nastat právě v současné době.

Loni Alexandra Klipfelová a David Kaiser z Massachusettského technologického institutu navrhli, že podobná černá díra mohla zaniknout ve vzdálenosti nejvýše 2 000 astronomických jednotek od Sluneční soustavy a její poslední výbuch mohl vyslat neutrino, které zachytil KM3NeT. Podle Kaisera tato možnost překvapivě dobře odpovídá tomu, co vědci pozorovali. Neznamená to ale, že je správná.

Nová studie zveřejněná v časopise Physical Review D přidává do této už tak neobvyklé představy další prvek. Podle jejích autorů nemuselo jít o obyčejnou prvotní černou díru. Mohla vzniknout z takzvané kosmické struny a zároveň se nacházet v dosud nepozorovaném pátém rozměru.

Černá díra, kterou nevidíme

Kosmické struny jsou podle některých teorií jakési teoretické trhliny ve struktuře časoprostoru, které mohly vzniknout v raném vesmíru. Dieter Lüst z Institutu Maxe Plancka pro fyziku a jeho kolegové předpokládají, že v jejich okolí mohla být dostatečně vysoká hustota na vznik černých děr.

Jejich model zároveň počítá s pátým rozměrem. Ten si podle Lüsta lze představit jako další drobný rozměr stočený do malého kruhu o šířce přibližně jednoho mikrometru. Nacházel by se jakoby nad každým bodem našeho běžného trojrozměrného prostoru a času.
Proč ho tedy nevidíme? Podle tohoto modelu žijeme v jakési trojrozměrné „vrstvě“, v níž se odehrává většina známých fyzikálních dějů. Do pátého rozměru by mohla pronikat pouze gravitace. 

Podle teoretického fyzika a odborníka na teorii strun Cumruna Vafy z Harvardovy univerzity není podobný pátý rozměr ve strunové teorii úplně novou myšlenkou. Pokud jsou černé díry dostatečně malé, mohly by podle něj v tomto dodatečném rozměru existovat.

Právě to by mohlo vysvětlit jednu zvláštnost neutrina zachyceného KM3NeT. Pokud totiž černá díra vybuchne, vědci by očekávali nejen neutrina, ale také fotony. Ty však žádný jiný přístroj nezaznamenal. Pokud by se černá díra nacházela v pátém rozměru, podle navrhovaného modelu by se z ní do našeho vesmíru dostala pouze neutrina.

Zatím jen odvážná hypotéza

Myšlenka má ovšem své výrazné kritiky. Kosmolog Dan Hooper upozorňuje, že zatím vůbec nevíme, zda pátý rozměr existuje. Stejně tak nemáme potvrzeno, že prvotní černé díry skutečně existují.

Prvotní černé díry přesto nejsou pouze vysvětlením jediného podivného neutrina. Někteří kosmologové předpokládají, že mohly vzniknout například během prudkého rozpínání raného vesmíru. Vznikly by v místech, kde byla hmota mimořádně hustá a prostor se pod její vlastní gravitací zhroutil.

Nejmenší takové černé díry by už dávno zmizely. Větší objekty, přibližně o hmotnosti asteroidu, by však podle těchto představ mohly existovat až dodnes.

Prvotní černé díry by navíc mohly tvořit část, nebo dokonce veškerou temnou hmotu. Mohly by také pomoci vysvětlit, jak se v raném vesmíru poměrně rychle vytvořily supermasivní černé díry. Pokud by existoval pátý rozměr, mohl by podle Hoopera umožnit přežívání prvotních černých děr v širším rozsahu hmotností, a tím zvýšit jejich šanci stát se temnou hmotou.

Proč neutrino neviděl i IceCube?

Další záhada souvisí s detektorem IceCube umístěným v antarktickém ledu. Ten je větší a v době zachycení částice fungoval už mnohem déle než KM3NeT. Přesto ve stejnou dobu nezaznamenal žádné podobně energetické neutrino. Za přibližně 15 let provozu navíc IceCube nezachytil žádnou částici srovnatelnou energií.

Vědci přitom považují za velmi nepravděpodobné, že by KM3NeT zachytil něco jiného než skutečné neutrino. Blízká prvotní černá díra by mohla vysvětlit i rozdíl mezi oběma detektory: částice mohla být vyslána takovým směrem, že zasáhla KM3NeT, ale nikoli IceCube.

Dosavadní hledání prvotních černých děr však nepřineslo přesvědčivý důkaz. Například objekt, který astronomové letos v květnu považovali za možnou černou díru o hmotnosti Měsíce, se při dalším zkoumání ukázal být proměnnou hvězdou.

Rozhodnou další pozorování

Vědci proto doufají, že další podobně energetická neutrina pomohou záhadu vyřešit. V Grónsku se staví nový detektor Radio Neutrino Observatory, který bude neutrina hledat pomocí rádiových signálů. Připravuje se také druhá generace IceCube, která by měla využívat stejný princip a pokrývat přibližně 500 km² oproti jednomu krychlovému kilometru současného zařízení. Větší rozestupy mezi jednotlivými detektory by umožnily hledat neutrina s ještě vyššími energiemi.

Možná není nutné hledat vysvětlení v pátém rozměru. Neutrino mohl vytvořit například blazar nebo běžnější proces, při němž vysokoenergetické kosmické záření naráží do hmoty či záření ve vesmíru. Dokud ale vědci jeho původ neurčí, zůstává mezi možnými vysvětleními i velmi neobvyklá představa prvotní černé díry, která vznikla z kosmické struny a existuje v pátém rozměru.