Tamsios žvaigždės ir jų aidėjimas gravitaciniame ūžesyje

Kaip tamsios žvaigždės gali aidėti šiandieniniame gravitaciniame ūžesyje

Tamsios žvaigždės yra hipotetiniai objektai, galėję susiformuoti ankstyvajame Visatoje, kuriuos iš dalies maitino tamsiosios materijos sukelta šiluma, o ne branduolinė sintezė. Jei jos egzistavo, kai kurios galėjo išaugti milžiniškos prieš susprogstant į masyvias juodąsias skyles, potencialiai padėdamos paaiškinti, kaip pirmosios supermasyvios juodosios skylės susiformavo taip greitai.

Tylus, senovinis choras

Klausykite atidžiai, ir Visata pasišnibždės. Ne šviesa, o lėtas, gilus ūžesys: gravitacinės bangos nanohertų dažnių srityje. Šios bangos tokios žemo dažnio, kad primena tolimą, nuolatinį dūzgimą, o ne aštrius čirpsnius, kuriuos išpopuliarino LIGO. Pulsarų laiko matavimo masyvai, tinklai, sekantys milisekundinių pulsarų laikrodžius danguje, dabar rado požymių to fono ūžesio. Šis atradimas kelia provokuojantį klausimą: ar kai kurios iš tų bangų gali nešti įrašą apie įvykius iš Visatos pirmųjų milijardo metų?

Du Colgate universiteto tyrėjai, Sohan Ghodla ir Cosmin Ilie, neseniai Physical Review D paskelbtoje Laiške nagrinėjo būtent šią idėją. Jie susiejo du mokslo galvosūkius, kurie kamuoja astrofizikus: kodėl jau labai ankstyvoje kosminėje istorijoje matome supermasyvių juodųjų skylių, ir kas sukuria gravitacinių bangų foną, kurį dabar fiksuoja PTA?

Kodėl pulsarai gali papasakoti apie kosminę aušrą

Pulsarai veikia kaip galaktikos metronomas. Jų radijo impulsai atkeliauja su stulbinančiu pastovumu. Praslenkanti gravitacinė banga ištįsto ir suspaudžia erdvę, subtiliai pakeisdama tų impulsų atvykimo laikus. Stebėkite daug pulsarų metų metus, ir atsiranda koreliuotas raštas, kai egzistuoja stokastinis bangų fonas. Tai yra tai, ką PTA bendrijos visame pasaulyje pradeda matyti.

Nanohertų dažniuose dominuojantis astrofizinis šaltinis turėtų būti supermasyvų juodųjų skylių dvejetai: juodųjų skylių poros, kurių masės siekia milijardų Saulės masių arba daugiau, spiralės link susijungimo. Šios titaniškos sistemos skleidžia lėtai, bet nuolat, ir jų susijungimų kolektyvas sukuria foną, kurį aptinka PTA eksperimentai.

Tačiau yra įtampa. James Webb kosminis teleskopas, Chandra ir kitos observatorijos atskleidė netikėtai masyvias juodąsias skyles, kai Visata tebuvo kelių šimtų milijonų metų amžiaus. Kaip tokie milžinai susiformavo taip greitai? Standartiniai keliai—mažos žvaigždžių juodosios skylės augančios akrecijos arba nuoseklių susijungimų metu—sunkiai spėja sukurti pakankamai dideles sėklas tokiu greitu laiku.

Kaip tamsios žvaigždės galėtų sėti milžinus

Štai kur įsijungia tamsios žvaigždės. Tam tikrose tamsiosios materijos scenarijuose, ypač įtraukiant WIMP tipo daleles, tamsiosios materijos sunaikinimas arba pagavimas pirmykščiuose haluose galėjo įkaitinti pirmuosius protžvaigždes. Žvaigždė liktų išsipūtusi ir vėsi, vengdama greito sintezės pradžios. Tai leistų jai akretuotis daug ilgiau nei įprastai. Rezultatas: objektai, galintys išsiplėsti iki milijonų Saulės masių prieš neišvengiamą kolapsą į juodąsias skyles.

Ghodla ir Ilie palygino du sėjamumo kanalus. Vienas yra tiesioginio kolapso juodosios skylės, retos, bet anksčiau nagrinėtos literatūroje. Kitas—ekstravagantiškesnis kelias: supermasyvios tamsios žvaigždės, subyrėjusios į masyvius juodųjų skylių likučius. Jie modeliavo, kaip tos sėklos vystosi kartu su jų priimančių tamsiosios materijos halų augimu, kaip dažnai jos poruojasi ir susijungia, ir kokį gravitacinių bangų foną tie susijungimai sukurtų iki šių dienų.

Rezultatas buvo stulbinantis. Jei supermasyvių tamsių žvaigždžių likučiai egzistuotų tankiu, maždaug vienas iš tūkstančio kubinių megaparsekų, jų palikuonys galėtų prisidėti didelę, galbūt dominuojančią, dalį PTA signalo. Tuo tarpu tiesioginio kolapso sėklos, priešingai, prognozuojamos gerokai retesnės—maždaug vienas iš milijono kubinių megaparsekų testuotose scenarijuose—ir sukuria žymiai silpnesnį foną.

Numatomi nanohertų gravitacinių bangų fonai, kilę iš ankstyvųjų supermasyvių juodųjų skylių sėklų palikuonių. Modeliai, kuriuose juodosios skylės kilusios iš subyrėjusių supermasyvių tamsių žvaigždžių, gali pasiekti PTA matuotą gravitacinį foną, tuo tarpu žymiai retesnė tiesioginio kolapso juodųjų skylių populiacija, nagrinėta tyrime, sukuria gerokai silpnesnį signalą. 

Ką tai reiškia dėl sėklų gausos

Yra stebėjimų nauda. Dabartiniai PTA matavimai jau nustato viršutines ribas, kiek dažnos tokios senovinės sėklos gali būti. Jei jų bus per daug, prognozuojamas gravitacinių bangų fonas viršys PTA rodinius. Jei jų per mažai, astronomai turės remtis vėlesniais, efektyvesniais surinkimo mechanizmais, kad paaiškintų ankstyvas supermasyvių juodųjų skylių atsiradimo atvejus, kuriuos mato teleskopai.

Tyrimas rodo, kad sėklų tankiai maždaug nuo 10 aukštai minus 2 iki 10 aukštai minus 1 vienam kubiniam megaparsekui pradėtų perprodukuoti PTA signalą, nors tikslios ribos priklauso nuo pradinio halų masių ir aplinkos. Svarbu tai, kad susijungimai, kurie sukuria stebimas bangas, vyksta gerokai vėliau nei susiformavo sėklos. Visgi PTA duomenys gali riboti populiacijas, egzistavusias raudonaisiais poslinkiais didesniais nei dešimt, suteikiant retą stebėtiną langą į kosminę aušrą.

Eksperto įžvalga

"Tai puikus kosminės archeologijos pavyzdys", sakė dr. Mira Santos, astrofizikė, nagrinėjanti juodųjų skylių susidarymą. "Dažnai galvojame apie gravitacines bangas kaip apie nesenų kataklizmų tyriklius. Bet Visata išsaugo atmintį netikėtais būdais. Jei tamsių žvaigždžių likučiai buvo dažni, jų pėdsakai vis dar gali būti girdimi PTA juostoje šiandien. Tai susieja dalelių fiziką, ankstyvųjų žvaigždžių formavimąsi ir gravitacinių bangų astronomiją būdu, kurio vien tik teleskopai negali pasiekti."

Jos komentaras pabrėžia platesnį aspektą: gravitacinių bangų detektoriai, veikiantys skirtinguose dažnių diapazonuose, yra papildantys. LIGO ir jo įpėdiniai pagauna aukštus žemus stellarinių masių susijungimų trenksmus. Žemės umis kosminės misijos kaip LISA sujungs prie tarpinio diapazono. PTA užpildo žemiausius tonus. Kartu jie sudaro pilną juostos įrašą apie juodųjų skylių augimą per kosminį laiką.

Pasekmės ir ateities perspektyvos

Jei tamsių žvaigždžių likučiai reikšmingai prisideda prie PTA fono, pasekmės bus plačios. Dalelių fizikai tai paskatintų konkrečias tamsiosios materijos savybes, leidžiančias šildymą ir ilgalaikes tamsių žvaigždžių fazes. Galaktikų formavimuisi tai keistų numatomą juodųjų skylių užėmimo ir grįžtamojo ryšio laiko juostą. Observacinėje astronomijoje tai kelia testuojamas prognozes: padidinta PTA jautrumas, tikslesnis aukšto raudonio kvazarų skaičiavimas per JWST ir būsimų rentgeno misijų duomenis bei geresnės ribos priimančių galaktikų halų masėms gali arba paremti, arba paneigti tamsių žvaigždžių dominavimo scenarijus.

Ką daryti toliau, yra aišku. PTA tęsis duomenų rinkimą, plečiant preciziškai laikuojamų pulsarų skaičių ir dangaus aprėptį. Tai patikslins fono spektrinę formą ir atskirs indėlius iš netoliese esančių supermasyvių dvejetų nuo kosminės populiacijos senovinių palikuonių. Kryžminiai patikrinimai su giliomis ankstyvosios Visatos apžvalgomis sugriežtins sėklų populiacijų ir jų aplinkos ribas.

Trumpai tariant, paieška supermasyvių juodųjų skylių kilmei dabar turi naują klausymo strategiją. Vietoje to, kad remtumėmės vien tik fotonais iš pirmųjų milijardo metų, astronomai taip pat gali klausytis Visatos gravitacinės atminties.

Išvados

Idėja, kad tamsios žvaigždės—žvaigždės, iš dalies maitinamos tamsiąja materija—galėtų palikti pėdsaką gravitaciniame bangų fone, matomame šiandien, yra provokuojanti ir testuojama. Ghodla ir Ilie darbas parodo, kaip senovės fizika gali būti vis dar girdima mūsų instrumentuose, siejant mažiausių dalelių elgesį su didžiausiomis Visatos struktūromis. Ateinantis dešimtmetis su patobulintais PTA duomenimis kartu su gilesnėmis astronominėmis apžvalgomis parodys, ar tikrai girdime paslėptųjų žvaigždžių aidus iš laiko aušros.