Misteriozni niskofrekventni gravitacioni talasi detektovani 2023. mogli bi poticati od hipotetičkih „mračnih zvezda“ koje su u ranom svemiru formirale masivna semena crnih rupa. Po modelu, mračne zvezde, napajane anihilacijom tamne materije, mogle bi dostići milijonske mase i kolabovati u crne rupe koje ostavljaju merljiv gravitacioni otisak. Ilie i Ghodla pokazuju da takvi ostaci mogu značajno doprineti pozadini talasa koju detektuju pulsar timing array eksperimenti, ali potvrda zahteva preciznija merenja i bolje razumevanje tamnih haloova.
„Mračne zvezde“ kao mogući koreni supermasivnih crnih rupa — nova interpretacija signala gravitacionih talasa
An illustration of a hypothetical dark star supermassive black hole seed in the early universe. | Credit: Robert Lea (created with Canva)
Niz misterioznih niskofrekventnih gravitacionih talasa detektovan 2023. godine pomoću pulsar timing array sistema mogao bi predstavljati „otisak" hipotetičkih supermasivnih mračnih zvezda koje su u ranoj istoriji svemira stvorile teška semena crnih rupa. Naučnici Cosmin Ilie i Sohan Ghodla sa Colgate University predlažu da ostaci ovih objekata doprinose pozadini gravitacionih talasa koju sada opažaju istraživači.
An illustration shows a neutron star at the heart of a pulsar and its strong magnetic field beaming radiation from its poles as it spins. | Credit: Robert Lea (created with Canva)
Pulsari su ubrzane neutronske zvezde koje emituju usmerene snopove zračenja. Njihova izuzetna stabilnost rotacije omogućava merenje sitnih pomeranja u prostoru i vremenu: prolazak niskofrekventnih gravitacionih talasa blago sabija i rasteže prostor između pulsara i Zemlje, što dovodi do merljivih kašnjenja u dolaznim pulsovima.
An artist's concept of two black holes circling each other before merging | Credit: NASA
Hipoteza mračnih zvezda
Za razliku od običnih zvezda, mračne zvezde su hipotetički objekti koji bi se prema modelu napajali energijom oslobođenom anihilacijom tamne materije u svojim jezgrima, a ne nuklearnom fuzijom. Takav izvor energije zadržao bi zvezdu relativno hladnom i omogućio dugotrajan, neprekinut dotok materije. Po nekim proračunima, mračne zvezde mogle bi akumulirati mase reda veličine miliona masa Sunca pre nego što se uruše i formiraju masivna crna rupa — teška semena koja ubrzavaju nastanak supermasivnih crnih rupa.
An illustration of dark stars in a halo of dark matter. | Credit: Robert Lea (created with Canva)
Modeliranje i posledice za gravitacioni signal
Ilie i Ghodla su modelovali populaciju takvih teških semena, njihove brzine spajanja i očekivani doprinos globalnoj pozadini gravitacionih talasa koju detektuju pulsar timing array eksperimenti. Nalazi pokazuju da ostaci supermasivnih mračnih zvezda mogu dati značajan, pa čak i dominantan doprinos signalu otkrivenom 2023. godine. Drugim rečima, današnje merenje gravitacionog šuma može sadržati informaciju o tome koliko su česta bila takva teška semena u ranom svemiru.
„Mračne zvezde su prvobitno predložene kao objekti koji bi se mogli videti na kosmičkom zoru. Ovaj rad ukazuje na potpuno drugačiji način testiranja njihove moguće uloge u kosmičkoj istoriji — njihovi potomci mogli bi ostaviti gravitacioni otisak koji opstaje sve do danas“, rekao je Cosmin Ilie.
Ako su takva semena previše brojna, modelirana populacija bi previše pojačala signal koji detektuju pulsar timing array eksperimenti; ako su retka, mora postojati neki drugi, efikasniji mehanizam za nastanak supermasivnih crnih rupa u ranoj kosmologiji — što je od posebnog značaja zbog ranih kvazara koje otkriva James Webb Space Telescope.
Šta je ključno za potvrdu hipoteze?
Ključni parametar u modelima su mase tamnih materijalnih haloova u kojima bi mračne zvezde nastajale i u kojima bi nastala teška semena. Za konačnu potvrdu ili odbacivanje predloga Ilie–Ghodla biće potrebna preciznija merenja pozadine gravitacionih talasa od pulsar timing array timova, kao i bolji uvid u populacije i rast crnih rupa u ranom svemiru.
Rad tima Ilie i Ghodla objavljen je 17. avgusta u časopisu Physical Review D.
Pomozite nam da budemo bolji.
