V oboru gravitačních vln a gravitační astronomie se stále něco děje, takže i když od posledního dílu našeho seriálu neuplynulo ještě tolik času, myslím, že má smysl se podívat na některé zajímavé novinky, které se v tomto oboru za tu dobu udály. A tyto novinky opravdu stojí za to, jak uvidíte sami. Zvláště některé jsou totiž opravdu vzrušující. Tak se nezdržujme a pojďme na to. A začněme tentokrát na povrchu Země u observatoře LIGO, na něco o kosmických misích se můžete těšit na konci článku.

Dvojice sloučení černých děr

Na konci roku 2024 detekovaly interferometrické gravitační detektory LIGO v USA (jeden v Hanfordu ve státě Washington, jeden u města Livingston v Louisianě) a italský detektor VIRGO nedaleko známého města Pisa, v rozestupu jednoho měsíce dvojici zajímavých srážek černých děr. První srážku zachytily 11. 10. 2024 jen americké dva americké detektory LIGO, druhou srážku z 10. 11. 2024 už všechny tři detektory, tedy oba americké a italský.

První srážka, GW241011 se odehrála zhruba ve vzdálenosti 700 milionů světelných let a splynuly při ní černé díry o hmotnosti 20 a 6 hmotností Slunce (M_S – dále budu označovat takto). Zajímavé je, že větší z obou černých děr, tedy ta, jež měla hmotnost asi jako 20 Sluncí, měla velmi rychlou rotaci. Jde o jednu z nejrychleji rotujících černých děr, jaké jsme dosud objevili.

Téměř o měsíc později zachytili vědci další splynutí černých děr označované jako GW241110. Signál přišel ze vzdálenosti asi 2,4 miliardy světelných let a černé díry měly hmotnosti 17 a 8 M_S. I v tomto případě zde byl zajímavý objev. Dosud všechny černé díry, které jsme gravitačně viděli rotovaly ve stejném směru, v jakém obíhaly druhou černou díru. Tato černá díra, která je 17krát hmotnější, než Slunce se ale otáčela proti směru svého oběhu, má tak tzv. retrográdní rotaci.

Teoreticky jsme sice černé díry s takto rychlou rotací i černé díry otáčející se proti směru oběhu očekávali, ale toto je první jasný důkaz existence takových systémů. Tento případ by nám měla připomínat, že každé pozorování gravitačních vln je důležité. Dnes už máme stovky událostí z nich drtivá většina je srážkou dvou černých děr, takže tyto události už mohou působit lehce nudně. Ve skutečnosti jde ale pokaždé o důležité astrofyzikální pozorování a neocenitelnou fyzikální laboratoř.

Obě srážky mají také poměrně přesně určenou polohu, kde na obloze k nim mělo dojít. GW241011 se odehrála někde v souhvězdí Hadonoše nebo v souhvězdí Hada, které je ovšem rozděleno na dvě části, a v tomto případě jde o jeho část, kterou nazýváme ocas Hada. Pokud jde o událost GW241110, ta se odehrála v severní části souhvězdí Kentaura. Bližší určení už asi nedostaneme, ale i to je velmi dobré.

Tyto dvě, ale i další události, ukazují, jak moc jsme se v oboru gravitační astronomie posunuli a co vše už dnes umíme pomocí gravitačních vln měřit. A další a další srážky černých děr navíc potvrzují, že větší černé díry skutečně mohou vznikat srážkami děr menších. V případě obou nových událostí, tedy GW241011 i GW241110 se navíc zdá, že vždy větší černá díra v každém páru mohla vzniknout dříve jinou srážkou dvou černých děr. Takže by mohlo jít o černé díry druhé generace.

Jejich hmotnost, 20 respektive 17krát vyšší, než Slunce sice není závratná, ale scénáři, že vznikly srážkou dvou dřívějších menších černých děr nasvědčuje to, že jsou obě výrazně hmotnější, než byla druhá černá díra v páru a také jejich zvláštní rotace, v jednom případě velmi rychlá, ve druhém případě retrográdní.

V případě vícenásobného procesu slučování mluvíme o tzv. hierarchickém slučování, a domníváme se, že k němu dochází hlavně v dosti hustém prostředí, jako jsou hvězdokupy, či jádra galaxií, kde je větší pravděpodobnost, že se černé díry potkají a dojde k jejich sloučení, třeba i vícenásobnému. Je tak možné, že pozorované černé díry vznikly právě v takovém prostředí.

Tato dvě nová měření nám tak nabízejí zajímavý pohled na historii černých děr a důležité poznatky o jejich vývoji. Říkají nám, že černé díry nemusejí existovat jen samostatně a izolovaně, ale že mohou být členy hustých a dynamických skupin. A právě podobná pozorování nás mohou naučit více o astrofyzikálním prostředí v němž tyto černé díry vznikají a pohybují se.

Důsledky GW241011 a GW241110 pro fundamentální a částicovou fyziku    

Přesnost měření, zvláště u události GW241011, umožnila také otestovat fundamentální fyziku, konkrétně některé předpovědi obecné relativity za extrémních podmínek. Pozorování této události lze porovnat s předpověďmi obecné relativity a Kerrovým řešením pro rotující černé díry. Rychlá rotace totiž černou díru mírně deformuje, což zanechává typický otisk v signálu gravitačních vln. Výzkumníci zjistili výbornou shodu s Kerrovým řešením a provedli jeho ověření s vysokou přesností.

Navíc, tím, že se hmotnosti obou černých děr, které se srážely tak významně lišily, v signálu se objevil další specifický podpis pozorovaný teprve potřetí v historii. Jde o tzv. vyšší harmonické frekvence podobné alikvótním tónům u hudebních nástrojů. Jedna z těchto vyšších harmonických byla dobře pozorována a potvrdila tak další předpověď obecné relativity.

Díky těmto gravitačním vlnám se povedlo provést další test obecné teorie relativity za extrémních podmínek a obecná relativita opět těmito testy prošla jako nůž máslem. Černé díry mají tvar a vlastnosti přesně dle předpovědí Einsteina a Kerra, a obecná relativita má tak na kontě další z mnoha úspěchů. O nové fyzice za obecnou relativitou máme dobrou představu, ale zatím téměř žádné její náznaky, zdá se, že obecná relativita zatím funguje perfektně i v nejextrémnějších podmínkách.

Rychle rotující černé díry, jako ty právě popsané mají ovšem využití například i ve fyzice částic. S jejich pomocí se dá testovat, zda existují některé hypotetické lehké elementární částice a jak přesně jsou hmotné. Tyto částice, tzv. ultralehké bosony jsou předpovězeny některými teoriemi, které se snaží jít za hranice Standardního modelu částicové fyziky.

Pokud takové bosony existují, mohou z černých děr odebírat rotační energii. Kolik energie přesně je odebíráno a jak moc se rotace černých děr v důsledku toho zpomaluje závisí na hmotnosti oněch hypotetických bosonů, která je neznámá. Skutečnost, že se černá díra z páru GW241011 otáčela tak rychle i miliony či dokonce miliardy let po svém vzniku vylučuje poměrně širokou škálu hmotností těchto hypotetických ultralehkých bosonů.

Tato měření umožnily modernizace všech detektorů, jak LIGO v USA, tak VIRGO v Itálii. Každopádně další plánovaná modernizace a vylepšení těchto detektorů umožní ještě přesnější měření. Díky tomu můžeme lépe pochopit základní fyziku binárních systémů černých děr, tak i astrofyzikálních dějů, které za vznikem těchto černých děr a jejich párů stojí.

Objevili jsme primordiální černé díry?

Na samém konci pozorovacího cyklu O4 zachytila trojice detektorů, jak obě stanice LIGO, tak italské VIRGO, velmi zajímavý signál. Konkrétně to bylo 12. listopadu 2025. Signál přišel ze vzdálenosti asi 313 milionů světelných let a jeho lokalizace na obloze není bohužel příliš dobrá. Ale v tomto případě nám to vadit nemusí, událost nám to totiž svou zajímavostí nahrazuje. Podíváte-li se do katalogu gravitačních událostí, uvidíte událost označenou jako BNS, tedy srážka neutronových hvězd. To je sice zajímavé, ale ne zas tak šokující nebo mimořádné.

Ale když se zaměříte na podrobnosti, začne se celá věc jevit úplně jinak. S pravděpodobností blížící se 100 % se totiž zdá, že objekty, které se srazily měly hmotnost 0,1 a 0,87 M_S. A to je na neutronové hvězdy trochu málo, ty mají obvykle třeba 1,5 až 2,1 M_S. Rozhodně by ale neměly mít 0,87 a už vůbec ne 0,1 M_S. Takže když o neutronové hvězdy spíše nejde, o co tedy jde? O bílé trpaslíky myslíte si? To také není úplně pravděpodobné.

Nejmenší známý bílý trpaslík hmotnost 0,17 M_S, takže 0,1 M_S je na bílého trpaslíka stále velmi málo. Druhý objekt už je s bílým trpaslíkem lépe v souladu, neboť hmotnost 0,87 M_S je pro bílého trpaslíka představitelná. Ale přesto ani v tomto případě o bílého trpaslíka nepůjde. Dost nám tu hapruje vzdálenost. Vidět bílého trpaslíka na 313 milionů světelných let se nezdá být moc pravděpodobné ani s vylepšenými detektory LIGO a VIRGO.

Takže co je tedy událost označovaná jako S251112cm (tradiční zkratka GW251112 se zde neuvádí, neboť jde v tuto chvíli zatím stále o kandidáta, nikoli na 100 % potvrzenou gravitační událost) zač? Mohlo by jít o černé díry. Ne ty normální hvězdné či dokonce střední velikosti, ale malé primordiální černé díry, které vznikly v horkém hustém stádiu na samém počátku vesmíru. Tuto událost je totiž těžké vysvětlit konvenčními astrofyzikálními procesy. Pokud se tedy potvrdí, že jde o skutečný signál, bude to velká věc ve fyzice.

Jenže právě to slovo „pokud“ je v tomto případě velmi na místě. Stále totiž existuje poměrně vysoká pravděpodobnost, že jde o falešně pozitivní výsledek, planý poplach a že se ukáže, že detektory neviděly událost z kosmu, ale signál byl způsoben šumem na detektorech. Signály z černých děr, či neuronových hvězd jsou už dobře známy jak z pozorování, tak z numerických simulací, takže víme, jak mají vypadat a pravděpodobnost pozemního falešného signálu je nízká.

Jenže tento signál je nový, vzácný, a tak je u něj pravděpodobnost falešného poplachu kvůli šumu detektorů poměrně vysoká. Ukazuje se, že četnost falešných poplachů u tohoto typu detekce je asi jeden za čtyři roky. A to je hodně. U běžných pozorování černých děr hvězdných hmotností je to o mnoho řádů méně. Tato skutečnost tak vzrušujícímu výsledku dost ubírá na kráse.

Přesto ale. Primordiální černé díry hledáme již dlouho, dosud se zdály být téměř nepolapitelné, takže i malá šance na detekci v mnoha lidech vyvolává naději a velké rozrušení.  Tyto černé díry totiž mohly vzniknout, jak už jsme si řekli, v prvních okamžicích existence našeho vesmíru, ve zvláště zahuštěných místech prvotního plazmatu. Hypoteticky mohly mít prvotní černé díry různé hmotnosti, od velmi nízkých, od 10^-8 kilogramů, až po 100 000 M_S. Těmto černým dírám často říkáme neastrofyzikální, neboť jejich vznik nezávisí na existenci hvězd.

Pokud tyto primordiální černé díry existují, mohly mít vliv na vývoj vesmíru a mohly by dokonce zodpovídat za část temné hmoty. Kdyby tomu tak bylo, byla by to skvělá zpráva, neboť víme, že temná hmota existuje a že tvoří 85 % hmoty vesmíru, ale stále nevíme ani částečně, čím je tvořena. Prvotní černé díry jsou skvělé v tom, že kvůli nim nemusíme vytvářet novou fyziku, současně ale mají i své problémy. Jedna nedokáží vysvětlit 100 % temné hmoty a jednak je dosud nikdo neviděl.

I kdyby dnes neexistovaly, neznamená to nutně, že nemohly existovat na počátku vesmíru. Mohly se totiž postupně vypařovat díky tzv. Hawkingovu záření. Menší prvotní černé díry by se vypařily doslova sekundy po svém vzniku, těžší černé díry by se mohly vypařovat právě dnes. Teď možná můžeme mít první důkaz o existenci takových černých děr. Ale jen možná. Pokud je signál S251112cm, bude velmi těžké jej vysvětlit jako srážku běžných těles jako jsou neutronové hvězdy či bílí trpaslíci.

Vědci se také na základě tohoto gravitačního pozorování snažili na obloze najít případný doprovodný signál v elektromagnetickém záření. Jenže bohužel určení pozice gravitační události je velmi nepřesné, takže hledání elektromagnetického signálu bylo marné. Fyzikové tak mají jen tento gravitační signál. Vědci nyní signál podrobně analyzují, avšak situace je značně nejistá.

Reálně hrozí, že signálu zůstane navždy status kandidátské události a nebudeme tedy nikdy vědět s jistotou z čeho pocházel. Tedy zda šlo o pozemský šum, či reálný signál gravitačních vln. Mohlo jít tedy o primordiální černé díry? Mohlo. Ale pravděpodobnost pozemského šumu je opravdu vysoká. Potřebovali bychom další podobná měření. O stavu tohoto signálu by patrně nerozhodla, ale třeba bychom pro primordiální černé díry získali další a přesvědčivější důkazy.

Vědecký program mise LISA

Evropská mise LISA je schválená, začalo se reálně pracovat na výrobě jejích komponent a má schválený start v roce 2035. Mohli bychom se proto podívat, jakou vědu by nám tato mimořádná mise měla přinést. Když už totiž víme, že LISA by se měla skutečně do kosmu vydat a navíc víme, jak mise bude přesněji vypadat, má smysl si o tom říci více.

LISA a binární systémy hmotných objektů

Observatoře LIGO jsou schopny detekovat signály z binárních systémů kompaktních objektů jako jsou černé díry a neutronové hvězdy. A LISA to bude pochopitelně umět také. Při nižších frekvencích se očekává, že uvidí tolik zdrojů, že to bude v podstatě šum z popředí. Při vyšších frekvencích se očekává, že uvidí přibližně 25 000 kompaktních párů hmotných objektů. Díky tomu budeme mít spoustu informací o hmotnostech, periodách proměnnosti, či lokalizaci těchto zdrojů.

To bude velmi důležité pro to, abychom věděli, jak se kompaktní páry hmotných objektů v galaxii formovaly a vyvíjely. A zatímco LIGO běžně vidí jen páry černých děr, neutronových hvězd či dvojice s jednou neutronovou hvězdou a jednou černou dírou, LISA umožní spatřit i páry, kde máme dva bílé trpaslíky, popřípadě bílého trpaslíky s neutronovou hvězdou či černou dírou.

U bílých trpaslíků, přesněji řečeno u dvojic bílých trpaslíků bude umět LISA také najít obíhající velké planety, či hnědé trpaslíky, což jsou přechodová stádia mezi plynnými obry a hvězdami. Očekává se, že těchto objektů nalezne LISA nejméně 17, ale optimistické scénáře doufají až ve 2000 detekcí v Mléčné dráze, a dokonce v několik detekcí v Magellanových oblacích, což je daleko mimo limity současných detekčních technik.

LISA a černé díry

Černé díry, které tvoří většinu detekcí na LIGO, observatoř LISA také uvidí, a to dokonce hned několik skupin černých děr. Tak například LISA bude umět spatřit velmi hmotné černé díry s hmotností asi 10⁴ až 10⁷ M_S, nikoli ovšem samostatně, ale ve chvílích, kdy se vzájemně slučují. LISA tyto události bude schopna detekovat až do vzdálenosti nějakých 13 miliard světelných let. Očekává se, že LISA uvidí každý rok alespoň několik takových událostí.

U bližších detekcí, do vzdálenosti cca 11 miliard světelných let bude LISA umět určit i rychlost rotace srážejících se hmotných černých děr, což nám napoví mnohé o tom, jak se tyto černé díry v minulosti vyvíjely a jak mohly vzniknout. To může pomoci určit, jaká možnost vývoje supermasivních černých děr je správná. V případě sloučení do vzdálenosti asi 10 miliard světelných let bude navíc LISA umět sloučení předpovědět alespoň 24 hodin předem, což umožní hledat elektromagnetické protějšky.

Také středně hmotné černé díry, donedávná naprosto neznámé, umožní LISA detekovat. Pokud půjde o srážející se černé díry s hmotností mezi 600 a 10 000 M_S, bude je LISA umět detekovat až do vzdálenosti 7 miliard světelných let. V případě, kdy střední černá má hmotnost 600 až 10 000 M_S a padá do černé díry o hmotnosti 10⁴ až 10⁶ M_S, bude LISA takový pár schopna detekovat až do vzdálenosti asi 10 miliard světelných let. Neexistuje přesný odhad četnosti, jelikož o středních černých dírách zatím víme velmi málo.

LISA také dovolí měřit systémy s extrémním nepoměrem hmotností obou interagujících složek. Řeč je o případech, kdy do supermasivní černé díry o hmotnosti zhruba 10⁶ M_S padá objekt o hmotnosti jen kolem 50 M_S. Takové systémy bude LISA vidět až do vzdálenosti kolem 11 miliard světelných let. Tyto systémy jsou zajímavé i proto, že se vyvíjejí pomalu a LISA je tak bude moci pozorovat několik měsíců, až let, což umožní velmi přesná měření vlastností systému. Očekává se, že LISA uvidí nejméně jednu takovou událost za rok.

Po oznámení první gravitační události GW150914 a poté, co se vyjasnilo, jaké přesně parametry bude LISA mít, se ukázalo, že podobný systém bude LISA umět detekovat poměrně dlouhou dobu přes samotnou srážkou. Na základě dat četnosti takových událostí z LIGO se čeká, že LISA detekuje alespoň 100 podobných binárních systémů, a to týdny až měsíce před samotným sloučením, které by vidělo LIGO. Navíc bude LISA umět předpovědět přesně čas sloučení a také lokalizovat zdroj na obloze na 1 čtvereční stupeň, což pomůže s hledáním možných elektromagnetických či neutrinových protějšků.

Stejně jako dnes využíváme k testování fundamentální fyziky LIGO, bude možné podobně používat i observatoř LISA. Evropský kosmický interferometr dovolí testovat různé modifikace obecné relativity, či jiné teorie gravitace vzniklé v důsledku objevu existence temné hmoty či temné energie. Ty by se mohly projevovat například při šíření gravitačních vln, kdyby se tyto šířily jinak, než jak předpovídá obecná relativita, nebo by se mohly tyto alternativní teorie projevit, kdyby se ukázalo, že černé díry se chovají jinak a mají jiné vlastnosti, než je podle obecné relativity možné.

LISA a kosmologie

Také kosmologii může LISA pomoci. Tak například umožní nezávislé měření rudého posuvu, a tedy i vzdáleností v kosmu, alespoň pro relativně blízké události zhruba do vzdálenosti 2 miliard světelných let. A to na základě pozorování srážek černých děr a srážek objektů s extrémním rozdílem hmotností. Bude tak moci provést nezávislé měření Hubbleova-Lemaîtrrova parametru, které je nezávislé na ostatních typech měření.

Jak přesné toto měření bude závisí na množství pozorovaných událostí, a tedy na tom, jak dlouho bude LISA fungovat. Pokud by pracovala čtyři roky, lze očekávat, že chyba měření bude kolem dvou procent. Pro větší vzdálenosti lze události pozorované misí LISA propojit s elektromagnetickými protějšky, což umožní měření tohoto parametru i do větších vzdáleností. To je velmi důležité, neboť právě hodnoty tohoto parametru se týká současný problém známý jako Hubbleovo napětí.

LISA také uvidí stochastické pozadí gravitačních vln z celého vesmíru, které může být generováno mnoha různými zdroji. Ať už jsou to srážky extrémně hmotných černých děr, topologickými defekty známými jako kosmické struny (zatím pouze hypotetické), fázovými přechody při narušení symetrií, nebo dokonce samotnou inflační fází kosmu. Ano, někteří doufají, že by LISA mohla vidět reliktní gravitační vlny ze samého počátku kosmu a tím rozhodnout, zda je inflační model správný.

Je také možné, že uvidíme nějaké exotické dosud neznáme zdroje, což se v astrofyzice a kosmologii stává, nemusíme se toho příliš obávat. Lze také očekávat, že LISA uvidí některé gravitační relativistické efekty, které dále potvrdí platnost obecné relativity, či naopak její platnost mohou zpochybnit.

Závěr

Každopádně, máme se nač těšit. Doufám, že jste viděli, že je výzkum gravitačních vln velmi zajímavý a užitečný a že se máme důvod na vylepšené pozemní detektory, jakož i na misi LISA, či čínské kosmické detektory proč těšit. Až budou nějaká nová zajímavá data, setkáme se u čtvrtého dílu tohoto volného seriálu.

Zdroje obrázků

• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/v2/t:0,l:0,cw:1319,ch:742,q:80,w:1319/ydwsrwtqwfCre2v6KPpJcn.jpg
• https://scontent-prg1-1.xx.fbcdn.net/v/t39.30808-6/571607049_1306182021535571_5539294036808594941_n.jpg?stp=dst-jpg_p526x296_tt6&_nc_cat=109&ccb=1-7&_nc_sid=127cfc&_nc_ohc=kFZwSWBMVskQ7kNvwHIoHzG&_nc_oc=Admigv9ygkvGGAsIi9qrNGDL1Di7930aNrMzi_N04QjBN8ffmC3jGimEm8bD8Iuz78U&_nc_zt=23&_nc_ht=scontent-prg1-1.xx&_nc_gid=IB_RmO81_mpqnr5dVMHLXA&oh=00_AfpkDVUym6WKku6kk6N7CeHhzPQre8e5syEfYYVkfB4xTA&oe=697C4508
• https://ligo.org/wp-content/uploads/2025/10/Figure_1-1536×565.png
• https://scontent-prg1-1.xx.fbcdn.net/v/t39.30808-6/574388371_1306156778204762_4566294681087079644_n.jpg?_nc_cat=111&ccb=1-7&_nc_sid=127cfc&_nc_ohc=-CYzhMVgGf0Q7kNvwHhL2mp&_nc_oc=AdloDE-Fsl6XLGKSlMnvsfxFxV1G7zEG0wbgTXkX59vEDioSVN2PRCC-hOTr-uu-mac&_nc_zt=23&_nc_ht=scontent-prg1-1.xx&_nc_gid=46eouCykfGVnm_ndE4Y8Sg&oh=00_AfqywJOnEUoYwNYNhf1JEZ1YnRIvBNsCZdt10LXMFHCxrw&oe=697C4315
• https://scontent-prg1-1.xx.fbcdn.net/v/t39.30808-6/571336317_1306156771538096_421526690352974600_n.jpg?_nc_cat=102&ccb=1-7&_nc_sid=127cfc&_nc_ohc=K4FD3IgXWQ0Q7kNvwFyRzSx&_nc_oc=AdmLRSrNbJmwXmm1A1B2hK-F1XV4X28b9pOTeYapEB4Ixf61UMQUHNqvFheH0l3Cj3E&_nc_zt=23&_nc_ht=scontent-prg1-1.xx&_nc_gid=XDllRkH3JUGnjyCh69tc2Q&oh=00_Afoba1Gc9UrNimzsZZX66sumVq1GVuFiK7W9QPmx5hDRdA&oe=697C49D3
• https://aasnova.org/wp-content/uploads/2025/10/progenitor-cartoon-scaled.jpg
• https://ligo.gravity.cf.ac.uk/~chris.north/gwcat-data/data/png/S251112cm_cart_rot.thumb.png
• https://tech.news.am/static/news/b/2025/12/6434.jpg
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/24X8SRAY6mzsEzXMGiiPAL-970-80.png.webp
• https://www.titech.ac.jp/english/public-relations/img/next09-suyama05-sp.jpg
• https://subarutelescope.org/en/results/2019/04/01/fig2-2e.jpg
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/3dLeqkend3fSH5zNmVjdag.jpg
• https://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a010100/a010140/H_LISASMBH00175.jpg
• https://cplberry.com/wp-content/uploads/2018/05/emri_0.jpg
• https://www.mos.org/sites/default/files/styles/max_width_2400/public/2025-01/Hubble_constant_measurement_credit_Freedman_et_al-Astrophysical_Journal.jpg?itok=3Vbsrdaj
• https://www.researchgate.net/publication/344039614/figure/fig15/AS:975872102236164@1609677448177/LISA-sensitivity-to-gravitational-waves.ppm