To może być ślad pierwszych czarnych dziur. Naukowcy znaleźli go w kosmicznym szumie

Wszechświat ma około 13,8 mld lat, a mimo to astronomowie wciąż próbują odtworzyć jego pierwsze etapy. Jedną z największych zagadek pozostaje pochodzenie supermasywnych czarnych dziur. Obserwacje odległych galaktyk pokazują bowiem, że obiekty o masach sięgających milionów, a nawet miliardów mas Słońca istniały już stosunkowo krótko po Wielkim Wybuchu.

To rodzi problem. Jak tak ogromne czarne dziury mogły powstać i urosnąć w czasie, który z kosmicznego punktu widzenia był bardzo krótki?

Nowe badanie sugeruje, że odpowiedzi można szukać nie tylko w świetle odległych galaktyk. Informacje o początkach pierwszych supermasywnych czarnych dziur mogą być zapisane także w niezwykle słabych falach grawitacyjnych docierających do Ziemi.

Fale grawitacyjne są zmarszczkami czasoprzestrzeni powstającymi podczas gwałtownych ruchów bardzo masywnych obiektów. Najłatwiej wyobrazić je sobie jako zaburzenia rozchodzące się w samej strukturze Wszechświata. Kiedy taka fala przechodzi przez Ziemię, zmienia na moment odległości między obiektami, choć skala tego efektu jest niezwykle mała.

Astronomowie opracowali jednak sposób pozwalający wychwycić jeszcze subtelniejsze zaburzenia. Wykorzystują w tym celu pulsary, czyli pozostałości po gwiazdach, które zakończyły życie jako supernowe. Są to szybko wirujące gwiazdy neutronowe wysyłające w przestrzeń regularne impulsy promieniowania.

Niektóre pulsary zachowują się tak precyzyjnie, że można traktować je jak kosmiczne zegary. Jeżeli astronomowie przez wiele lat obserwują sygnały pochodzące z dużej liczby takich obiektów, mogą sprawdzać, czy momenty nadejścia impulsów nie zostały minimalnie przesunięte.

Właśnie na tym opiera się metoda określana jako Pulsar Timing Arrays, czyli sieci pomiaru czasu pulsarów. Międzynarodowe zespoły badawcze wykorzystują ją do poszukiwania fal grawitacyjnych o częstotliwościach znacznie niższych niż te, które rejestrują naziemne obserwatoria takie jak LIGO.

W ostatnich latach pojawiły się dowody na istnienie takiego tła fal grawitacyjnych w zakresie nanohertzowym. Najbardziej prawdopodobnym źródłem są pary supermasywnych czarnych dziur krążących wokół siebie w odległych galaktykach.

Gdy dwie supermasywne czarne dziury znajdą się w jednej galaktyce, nie muszą od razu się połączyć. Po zderzeniu ich macierzystych galaktyk mogą przez bardzo długi czas krążyć wokół wspólnego środka masy. Stopniowo jednak tracą energię i zbliżają się do siebie.

Taki układ emituje fale grawitacyjne. Pojedyncze źródła znajdujące się miliardy lat świetlnych od nas są niezwykle trudne do wykrycia metodami stosowanymi przez sieci pulsarów. Jeżeli jednak w całym obserwowalnym Wszechświecie istnieje ogromna liczba takich układów, ich sygnały nakładają się na siebie.

W efekcie powstaje coś w rodzaju kosmicznego szumu.

Modele wskazują, że szczególnie istotną rolę powinny odgrywać pary czarnych dziur o łącznej masie przekraczającej około miliarda mas Słońca. I właśnie tutaj pojawia się interesujące pytanie: skąd wzięły się ich odległe przodkinie?

Sohan Ghodla i Cosmin Ilie z Colgate University postanowili sprawdzić, czy odpowiedzi można szukać w bardzo wczesnym Wszechświecie. Wyniki ich pracy opublikowano w czasopiśmie Physical Review D.

Badacze przeanalizowali dwa scenariusze powstawania początkowych ziaren, z których mogły później wyrosnąć supermasywne czarne dziury. Pierwszy zakłada powstawanie czarnych dziur w wyniku bezpośredniego zapadania się ogromnych obłoków materii. Drugi jest znacznie bardziej egzotyczny i wiąże się z hipotetycznymi Ciemnymi Gwiazdami.

To właśnie drugi scenariusz okazał się szczególnie interesujący.

Ciemne Gwiazdy nie są zwykłymi gwiazdami, a ich istnienie pozostaje hipotezą. Według jednej z proponowanych koncepcji mogły pojawiać się we wczesnym Wszechświecie w obszarach, w których gromadziła się ciemna materia. W rozpatrywanym modelu energia związana z oddziaływaniami cząstek ciemnej materii mogłaby dostarczać gwieździe dodatkowego źródła energii.

Taki obiekt mógłby przez długi czas pozostawać stosunkowo chłodny i jednocześnie pochłaniać kolejne porcje materii. W odpowiednich warunkach jego masa mogłaby osiągnąć wartości rzędu miliona mas Słońca lub nawet większe.

A potem nastąpiłoby zapadnięcie.

Pozostałością po takiej Ciemnej Gwieździe mogłaby zostać bardzo masywna czarna dziura. W przeciwieństwie do scenariusza, w którym początkowa czarna dziura ma niewielką masę i musi przez miliardy lat intensywnie pochłaniać materię, tutaj punkt startowy byłby już ogromny.

Naukowcy prześledzili w modelach, jak takie początkowe czarne dziury mogły ewoluować wraz ze swoimi galaktykami. Uwzględnili między innymi rozwój struktur kosmicznych, łączenie się galaktyk oraz częstość powstawania układów podwójnych supermasywnych czarnych dziur.

Następnie sprawdzili, jaki sygnał fal grawitacyjnych powinien powstać w wyniku tych procesów.

W przypadku pozostałości po supermasywnych Ciemnych Gwiazd kluczowe okazało się ich początkowe zagęszczenie. Jeżeli takich obiektów byłoby odpowiednio dużo, ich potomkowie mogliby z czasem odpowiadać za znaczną część obserwowanego obecnie tła fal grawitacyjnych. W niektórych rozpatrywanych scenariuszach ich wkład mógłby być nawet dominujący.

Dla porównania, populacja czarnych dziur powstających w wyniku bezpośredniego zapadania się materii, przy przyjętych w badaniu gęstościach, dawała znacznie mniejszy udział w sygnale.

To pozwala potraktować obserwowane fale grawitacyjne nie tylko jako efekt końcowego etapu ewolucji czarnych dziur, lecz również jako pośrednią informację o ich narodzinach.

Astronomia zazwyczaj kojarzy się ze światłem. Teleskopy obserwują promieniowanie emitowane przez gwiazdy, galaktyki i inne obiekty, dzięki czemu możemy zaglądać w coraz odleglejszą przeszłość.

Fale grawitacyjne dają jednak inną możliwość. Nie są światłem i powstają w wyniku ruchów masywnych obiektów, dlatego niosą informacje, których nie da się uzyskać wyłącznie z obserwacji elektromagnetycznych.

W przypadku sieci pulsarów sytuacja jest jeszcze ciekawsza. Obserwowany dzisiaj sygnał powstaje przede wszystkim w wyniku procesów zachodzących znacznie później niż narodziny pierwszych czarnych dziur. Jeżeli jednak te późniejsze czarne dziury są potomkami obiektów powstałych podczas kosmicznego świtu, w ich obecnej populacji może być zachowana informacja o bardzo odległej przeszłości.

W ten sposób pomiary wykonywane współcześnie mogą pośrednio mówić coś o obiektach istniejących w epoce, gdy Wszechświat był bardzo młody.

Na tym etapie nie można powiedzieć, że fale grawitacyjne potwierdziły istnienie Ciemnych Gwiazd. Badanie nie jest takim dowodem. Pokazuje natomiast, że istnieje możliwy związek pomiędzy hipotetycznymi obiektami z początków Wszechświata a sygnałem, który możemy dziś mierzyć.

Ciemne Gwiazdy są związane z jednym z największych problemów współczesnej kosmologii, naturą ciemnej materii. Jeżeli ciemna materia składałaby się z cząstek o odpowiednich właściwościach, mogłaby w określonych warunkach wpływać na powstawanie i ewolucję pierwszych gwiazd.

Do tego dochodzi problem supermasywnych czarnych dziur. Obserwacje bardzo odległych galaktyk, w tym prowadzone przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, pokazują obiekty, które pojawiły się bardzo wcześnie w historii Wszechświata. Im więcej takich przykładów astronomowie znajdują, tym trudniejsze stają się klasyczne scenariusze zakładające powolny wzrost czarnych dziur z niewielkich początkowych ziaren.

Ciemne Gwiazdy są jedną z hipotez, które mogłyby rozwiązać część tego problemu.

Sieci pulsarów dopiero zaczynają wykorzystywać swój potencjał. Im dłużej prowadzone będą obserwacje, tym dokładniej astronomowie będą mogli określać właściwości tła fal grawitacyjnych.

Kluczowe będzie również lepsze poznanie populacji supermasywnych czarnych dziur oraz ich macierzystych galaktyk. Jeżeli dane dotyczące ich mas, liczby i historii łączenia się galaktyk staną się dokładniejsze, modele przewidujące źródła tła fal grawitacyjnych będą mogły zostać znacznie lepiej ograniczone.

Wtedy możliwe stanie się rozróżnienie pomiędzy konkurencyjnymi scenariuszami narodzin pierwszych supermasywnych czarnych dziur.

Być może więc odpowiedzi na pytanie, jak powstały pierwsze monstra we Wszechświecie, nie znajdziemy wyłącznie w obrazach odległych galaktyk. Część informacji może być ukryta w niewidocznych dla ludzkiego oka drganiach czasoprzestrzeni, które po miliardach lat docierają do nas za pośrednictwem pulsarów.