Odkryli echa z zarania Wszechświata! Ciemne gwiazdy sprzed 13 mld lat zdradzą tajemnicę!
Tajemnicze tło fal grawitacyjnych o bardzo niskiej częstotliwości, wykrywane przez sieci pulsarów, może zawierać informacje o wydarzeniach sprzed ponad 13 miliardów lat, w tym o powstaniu pierwszych supermasywnych czarnych dziur we Wszechświecie.
W nowym badaniu opublikowanym w czasopiśmie Physical Review D, Sohan Ghodla i Cosmin Ilie z Colgate University sprawdzili, czy supermasywne czarne dziury uformowane we wczesnym Wszechświecie mogły wygenerować znaczną część tła fal grawitacyjnych obserwowanego dziś przez sieci pomiaru czasu pulsarów (Pulsar Timing Arrays, PTA).
Pulsary jako kosmiczne zegary
Sieci PTA wykorzystują szybko wirujące gwiazdy neutronowe – pulsary – jako niezwykle precyzyjne kosmiczne zegary. Przechodzące fale grawitacyjne subtelnie zmieniają czas dotarcia impulsów radiowych do Ziemi. Monitorując wiele pulsarów przez lata, międzynarodowe zespoły wykryły dowody na istnienie stochastycznego tła fal grawitacyjnych o częstotliwościach nanoherców. Wiodącym wyjaśnieniem astrofizycznym tego zjawiska jest populacja spiralujących ku sobie par supermasywnych czarnych dziur, przy czym szczególne znaczenie mają obiekty o łącznej masie przekraczającej miliard mas Słońca. Obserwacje wykonane m.in. przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba i teleskop Chandra ujawniły zaskakująco masywne czarne dziury bardzo wcześnie w historii kosmosu, co wzmogło zainteresowanie mechanizmami zdolnymi do szybkiego tworzenia masywnych zalążków takich obiektów.
Zagadkowe „ciemne gwiazdy” jako możliwe źródło sygnału
Badacze rozważyli dwa scenariusze powstania wczesnych zalążków czarnych dziur: bezpośredni kolaps oraz zapadnięcie się tzw. supermasywnych ciemnych gwiazd (Dark Stars) – hipotetycznego typu pierwotnych gwiazd, których głównym źródłem energii jest ciepło związane z ciemną materią, a nie reakcje syntezy jądrowej. Takie obiekty mogłyby pozostawać stosunkowo chłodne i rozciągnięte, gromadząc masę nawet miliona Słońc, zanim zapadną się w masywną czarną dziurę. Zespół z Colgate University wykazał, że jeśli gęstość pozostałości po supermasywnych ciemnych gwiazdach wynosi rzędu 10⁻³ na megaparsek sześcienny, ich potomkowie mogą stanowić główny wkład w sygnał PTA – w przeciwieństwie do znacznie rzadszej populacji czarnych dziur powstałych przez bezpośredni kolaps (gęstość rzędu 10⁻⁶ na megaparsek sześcienny).
Badacze ustalili też, że gęstości zalążków w przedziale około 10⁻²–10⁻¹ na megaparsek sześcienny zaczęłyby przekraczać zmierzone tło fal grawitacyjnych, co pozwala na ograniczenie liczebności populacji obiektów istniejących przy przesunięciu ku czerwieni większym niż 10 – mimo że zlania się ich potomków nastąpiły znacznie później. Jak podkreśla Ilie, sygnał PTA może zatem zawierać informacje o narodzinach przodków dzisiejszych supermasywnych czarnych dziur u zarania kosmosu.
Źródło: Colgate University
Czytaj też: Niezwykłe zagrożenie dla misji kosmicznych. Jak burze słoneczne wpływają na loty i pasażerów?
Grafika tytułowa: Donald Giannatti / Unsplash
