Čierne diery možno ukrývajú cestu do piateho rozmeru. Vedci prišli na nový spôsob, ako ho odhaliť

Vesmír, ktorý poznáme, má tri priestorové rozmery a čas. Všetko, čo okolo seba vidíš, sa nachádza práve v tomto štvorrozmernom časopriestore. Niektoré fyzikálne teórie však pripúšťajú, že náš vesmír nemusí predstavovať celý obraz. Jedna z možností počíta s ďalším priestorovým rozmerom, ktorý zostáva pre bežnú hmotu prakticky nedostupný. Fyzici ho označujú ako temný rozmer.

Ak by skutočne existoval, mohli by sme mať problém vôbec zistiť jeho prítomnosť. Bežné častice by totiž zostali „uväznené“ v našom štvorrozmernom svete. Gravitácia by však podľa niektorých modelov takéto obmedzenie mať nemusela. Kľúčom k tomuto temnému rozmeru sú podľa štúdie, publikovanej v Physical Review D, čierne diery.

Náš vesmír môže byť iba akousi membránou

Fyzici používajú pri podobných úvahách pojem brána, prípadne prípadne anglicky brane. Ide o predstavu, podľa ktorej sa náš vesmír nachádza vo väčšom priestore s ďalšími rozmermi. Na pochopenie pomôže jednoduchý príklad. Predstav si tvora, ktorý žije iba na povrchu listu papiera. Môže sa pohybovať dopredu, dozadu, doľava a doprava, no nedokáže sa zdvihnúť nad papier. Tretí rozmer preň jednoducho nie je súčasťou jeho každodenného sveta. My sa môžeme nachádzať v podobnej situácii. Poznáme tri priestorové rozmery, no ďalší priestorový smer môže existovať mimo nich.

Rozdiel je v tom, že podľa hypotézy temného rozmeru by bol tento rozmer extrémne malý. Vedci pracujú s možnosťou, že jeho veľkosť môže byť približne na úrovni mikrometra, teda jednej milióntiny metra. Pre človeka je to zanedbateľná vzdialenosť. Pre mimoriadne malé čierne diery však môže ísť o úplne inú situáciu.

Primordiálne čierne diery nevznikli z hviezd

Čierne diery si väčšina ľudí spája s obrovskými hviezdami. Keď veľmi hmotná hviezda na konci svojho života skolabuje, jej jadro môže vytvoriť čiernu dieru. Primordiálne čierne diery, skrátene PBH, by však mali mať úplne iný pôvod. Podľa teoretických modelov mohli vzniknúť krátko po Veľkom tresku. Vtedajší vesmír mal extrémnu hustotu a teplotu a nachádzali sa v ňom oblasti s výrazne vyššou hustotou ako ich okolie. Ak boli dostatočne husté, mohli sa zrútiť a vytvoriť malé čierne diery. Žiadnu primordiálnu čiernu dieru však zatiaľ vedci jednoznačne nepotvrdili.

Súvisí s tým

Čierne diery sú poriadne „neporiadni jedáci“. Časť hmoty, ktorú priťahujú, vyhodia späť do vesmíru

Napriek tomu ich fyzici intenzívne skúmajú. Ak by sa podarilo takýto objekt objaviť, mohol by uchovať informácie o podmienkach, ktoré panovali v úplne ranom vesmíre. Vedci zároveň skúmajú možnosť, že by určitá časť temnej hmoty mohla pozostávať práve z týchto objektov. Nová štúdia vedená fyzikom Luisom Anchordoquim z Lehman College sa však pozerá na PBH ešte z iného uhla.

Malá čierna diera môže naraziť na piaty rozmer

Bežné čierne diery môžeme opisovať pomocou štyroch rozmerov, troch priestorových a jedného časového. Pri mimoriadne malej čiernej diere by sa však podľa skúmaného modelu mohla situácia zmeniť. Ak by horizont udalostí čiernej diery klesol pod určitú veľkosť v porovnaní s temným rozmerom, jej gravitačné pole by sa mohlo rozšíriť aj do tohto ďalšieho smeru. Z čiernej diery, ktorú opisuje štvorrozmerná fyzika, by sa tak stal päťrozmerný objekt.

Výskumníci sa preto pozreli na dva možné spôsoby vzniku primordiálnych čiernych dier. Prvým sú prudké fázové prechody v ranom vesmíre, druhým kolaps takzvaných kozmických strún.

Vesmír sa po Veľkom tresku veľmi rýchlo ochladzoval. Počas tohto procesu mohli nastať prudké zmeny stavu látky a polí, podobne ako keď sa para zmení na kvapalinu alebo voda zamrzne. Samozrejme, v ranom vesmíre nešlo o obyčajnú vodu. Fyzikálne podmienky boli úplne extrémne. Výskumníci vypočítali, aké veľké by mohli byť čierne diery vzniknuté pri týchto procesoch. Výsledok naznačil, že štvordimenzionálna verzia by pri dostatočne malej veľkosti nebola stabilná.

Do hry vstupuje jav nazývaný Gregoryho-Laflammeho nestabilita. Zjednodušene povedané, pri určitých podmienkach sa štruktúra objektu zmení a čierna diera môže prejsť do konfigurácie, ktorá zahŕňa ďalší rozmer.

„Pri dostatočne malej veľkosti sa štvordimenzionálna konfigurácia stáva nestabilnou a čierna diera prejde do päťrozmerného stavu,“ tvrdia autori výskumu.

Druhý scenár súvisí s kozmickými strunami. Ide o hypotetické poruchy samotného časopriestoru, ktoré mohli vzniknúť v ranom vesmíre. Ak by sa vytvorili slučky takýchto strún, ich vlastné napätie by ich mohlo prinútiť zmrštiť sa a následne skolabovať do čiernej diery.

V tomto prípade výpočty naznačujú ešte výraznejší výsledok. Primordiálne čierne diery vzniknuté kolapsom kozmických strún by mohli mať päťrozmernú podobu už od svojho vzniku.

Takáto čierna diera by žila dlhšie

Piaty rozmer by pritom nezmenil iba matematický opis čiernej diery, ovplyvnil by aj jej životnosť. Čierne diery podľa predpovede kvantovej fyziky postupne strácajú hmotnosť prostredníctvom Hawkingovho žiarenia. Čím je čierna diera menšia, tým rýchlejšie môže svoju hmotnosť strácať. Päťrozmerná čierna diera by sa však od svojho štvorrozmerného náprotivku v tomto smere líšila. Podľa výpočtov by sa vyparovala pomalšie.

Niektoré primordiálne čierne diery vzniknuté z kozmických strún by preto teoreticky mohli prežiť približne tak dlho, ako existuje samotný vesmír, teda približne 13,8 miliárd rokov. Výskumníci dokonca spojili svoj model s jedným nezvyčajným pozorovaním. Päťrozmerná primordiálna čierna diera by mohla pri svojom vyparovaní vyžarovať častice aj do hypotetického priestoru mimo nášho brane. Tieto častice by následne mohli vytvoriť neutrína, ktoré by sme už dokázali zachytiť v našom vesmíre.

Takáto predstava by podľa autorov mohla súvisieť s mimoriadne energetickým neutrínom, ktoré zaznamenalo observatórium KM3NeT.

„Mohlo by ísť o signál vyparovania päťrozmernej primordiálnej čiernej diery,“ navrhujú výskumníci.

Tu však treba výrazne spomaliť, pretože toto spojenie zatiaľ predstavuje iba hypotézu. Vedci nemajú dôkaz, že dané neutríno skutočne vzniklo týmto spôsobom. Rovnako nemáme potvrdenie existencie primordiálnych čiernych dier ani samotného temného rozmeru. Napriek tomu má tento model zaujímavý dôsledok. Ak by sa niekedy podarilo odhaliť primordiálnu čiernu dieru a zároveň určiť, že jej vlastnosti nezodpovedajú bežnej štvorrozmernej čiernej diere, vedci by mohli získať nepriamu stopu o štruktúre samotného časopriestoru.

Práve preto zostávajú primordiálne čierne diery zaujímavé aj napriek tomu, že ich existencia zatiaľ patrí do sveta hypotéz. Mohli by byť pozostatkom úplne raného vesmíru a zároveň jedným z mála spôsobov, ako hľadať fyziku, ktorú dnes nedokážeme priamo experimentálne preskúmať.