Pimeät tähdet voivat jättää jälkensä gravitaatioaaltojen taustasignaaliin

Yhteys on siten epäsuora mutta merkittävä: nykyhetken gravitaatioaaltomittaus voi testata varhaisen maailmankaikkeuden muodostumisprosessia.

Miksi miljoonan Auringon massan raja on tärkeä?

Mallissa pimeiden tähtien skenaario muuttuu erityisen kiinnostavaksi, kun tähdet kasvavat noin 10⁶ Auringon massan kokoisiksi tai sitä suuremmiksi. Tällainen romahtaminen voisi tuottaa mustalle aukolle paljon raskaamman lähtöpisteen kuin tavanomaiset kevyiden siementen mallit. Jos näitä jäänteitä syntyisi riittävästi ja ne osallistuisivat myöhemmin sulautumisiin, ne voisivat kasvattaa ennustettua PTA-taustaa huomattavasti.

Tulos on kuitenkin ehdollinen. Tutkimus ei osoita, että supermassiivisia pimeitä tähtiä olisi varmasti ollut olemassa, eikä se todista PTA-signaalin olevan yksinomaan niiden jäänteiden synnyttämä. Se osoittaa, että riittävän runsas erittäin massiivisten pimeiden tähtien populaatio voisi jättää jälkeensä mustia aukkoja, jotka osallistuisivat merkittävästi havaittavaan signaaliin.

Pimeät tähdet ja suoran romahduksen mustat aukot rinnakkain

Ghodla ja Ilie vertasivat pimeiden tähtien jäänteitä myös suoran romahduksen mustiin aukkoihin eli DCBH-kohteisiin (direct-collapse black holes). DCBH:t ovat toinen ehdotettu reitti varhaisen maailmankaikkeuden raskaille mustan aukon siemenille.

Tutkimuksen mallissa pimeiden tähtien jäänteet, joiden myötäsyntyinen lukumäärätiheys olisi noin 10⁻³ Mpc⁻³, voisivat tuottaa merkittävän ja mahdollisesti hallitsevan osuuden PTA-taustasta. Vertailussa käytetyillä paljon pienemmillä siementiheyksillä DCBH-kanavan osuus jäisi marginaaliseksi tai pimeiden tähtien kanavaa pienemmäksi.

Ero liittyy muodostumisolosuhteisiin. DCBH:t edellyttävät yleensä harvinaisia ympäristöjä, joissa metallittoman kaasun pilvi romahtaa pirstoutumatta. Lisäksi lähellä tarvitaan tehokkaasti tähtiä muodostava kumppani, jonka ultraviolettisäteily estää molekyylivedyn muodostumista ja sitä kautta kaasun jäähtymistä. Pimeiden tähtien skenaariossa muodostuminen voi olla mahdollista useammissa eristyneissä minihaloissa, jos kaasun jatkuva kertyminen sallii tähtien kasvun supermassiiviseen kokoluokkaan.

Vertailu ei sulje DCBH-kohteita pois. Se kertoo, että siementen lukumäärä voi olla yhtä tärkeä kuin niiden yksittäinen massa: runsas pimeiden tähtien jäänteiden populaatio voi synnyttää myöhäisemmässä maailmankaikkeudessa voimakkaamman mustien aukkojen kaksoisjärjestelmien taustan kuin harvinainen raskaisiin siemeniin perustuva kanava.

Mitä PTA-havainnot rajoittavat?

Sama laskelma asettaa ylärajan varhaisten siementen runsaudelle. Tutkijoiden käyttämässä kehyksessä noin 10⁻²–10⁻¹ Mpc⁻³:n siementiheydet tuottaisivat havaittuun PTA-taustaan verrattuna liikaa gravitaatioaaltoenergiaa. Jos signaalin pääasiallinen lähde todella on supermassiivisten mustien aukkojen kaksoisjärjestelmät, nykyiset havainnot eivät suosi näin runsasta varhaisten siementen populaatiota.

Kyseessä on populaatiotason rajoite, ei pimeiden tähtien suora väestönlaskenta. Tuloksen vahvuus riippuu muun muassa oletuksista, jotka koskevat siementen syntyä, kaasun kertymistä, galaksihalojen sulautumishistoriaa, mustien aukkojen pariutumista ja kehitystä sekä itse PTA-signaalin tulkintaa. PTA:t havaitsevat tai rajoittavat gravitaatioaaltojen taustaa – ne eivät erota yksittäisiä varhaisen maailmankaikkeuden tähtiä.

Uusi ikkuna kosmiseen aamunkoittoon

Tutkimuksen laajempi merkitys on siinä, että gravitaatioaaltoastronomia voi tutkia kohteita, jotka ovat kadonneet näkyvistä jo kauan sitten. Sähkömagneettisilla havainnoilla voidaan etsiä poikkeuksellisen kirkkaita tai massiivisia kohteita suurella punasiirtymällä. PTA:t puolestaan tutkivat niiden mustien aukkojen myöhempää sulautumishistoriaa, jotka tällaiset kohteet olisivat voineet synnyttää.

Jos tulevat PTA-mittaukset tarkentavat taustasignaalin voimakkuutta ja spektriä ja jos supermassiivisten mustien aukkojen kaksoisjärjestelmät säilyvät sen todennäköisimpänä selityksenä, aineisto voi auttaa erottamaan pimeiden tähtien jäänteet, DCBH-kohteet ja muut varhaisten siementen syntykanavat toisistaan.

Tutkimuksen ydinajatus on silta kosmisen aamunkoiton fysiikan ja nykyisten nanohertsialueen havaintojen välillä: gravitaatioaaltojen tausta saattaa säilyttää tiedon siitä, miten maailmankaikkeuden ensimmäiset massiiviset mustat aukot saivat alkunsa, vaikka alkuperäiset pimeät tähdet eivät enää olisi nähtävissä.