Jejak Dark Star Mungkin Terekam dalam Gelombang Gravitasi Alam Semesta

Dengan demikian, hubungannya bersifat tidak langsung, tetapi penting: pengukuran gelombang gravitasi masa kini dapat digunakan untuk menguji konsekuensi dari jalur pembentukan objek kosmik pada fajar alam semesta.

Mengapa ambang satu juta massa Matahari penting?

Skenario Dark Star menjadi sangat relevan ketika objek tersebut mencapai sekitar 10^6 massa Matahari atau lebih. Keruntuhan pada skala ini dapat menghasilkan titik awal yang jauh lebih berat bagi pertumbuhan lubang hitam dibandingkan skenario benih ringan konvensional. Jika cukup banyak sisa Dark Star terbentuk dan kemudian ikut bergabung, kontribusinya terhadap latar belakang PTA dapat meningkat secara signifikan.

Namun, hasil ini bersifat kondisional. Studi tersebut tidak membuktikan bahwa Dark Star supermasif benar-benar pernah ada, dan juga tidak menunjukkan bahwa sinyal PTA pasti berasal dari sisa Dark Star. Kesimpulannya adalah bahwa populasi Dark Star yang cukup banyak dan sangat masif dapat meninggalkan keturunan yang mampu menyumbang kuat terhadap sinyal tersebut.

Perbandingan dengan lubang hitam dari keruntuhan langsung

Ghodla dan Ilie membandingkan sisa Dark Star dengan lubang hitam hasil keruntuhan langsung (direct-collapse black holes atau DCBH), yakni jalur lain yang diusulkan untuk membentuk benih lubang hitam berat pada alam semesta awal.

Dalam model yang dirangkum studi itu, sisa Dark Star dengan kerapatan komoving sekitar 10^-3 Mpc^-3 dapat memberikan kontribusi signifikan dan berpotensi dominan terhadap latar belakang PTA. Sebaliknya, kanal DCBH—dengan kerapatan benih yang jauh lebih rendah dalam perbandingan tersebut—hanya menghasilkan kontribusi marginal atau tetap berada di bawah kontribusi Dark Star.

Perbedaan ini berkaitan dengan syarat pembentukan masing-masing skenario. DCBH umumnya memerlukan lingkungan yang sangat khusus: gas primordial harus runtuh tanpa terpecah menjadi banyak bintang, sering kali di bawah pengaruh radiasi ultraviolet kuat dari pembentukan bintang di sekitarnya. Sementara itu, skenario Dark Star dapat menghasilkan populasi yang lebih banyak apabila halo mini yang cukup terisolasi memang umum dan objek-objek tersebut mampu terus mengakresi gas hingga mencapai skala supermasif.

Perbandingan ini tidak menyingkirkan DCBH. Hasilnya menunjukkan bahwa, berdasarkan asumsi studi, jumlah benih sama pentingnya dengan massa masing-masing benih. Populasi sisa Dark Star yang lebih melimpah dapat menghasilkan latar belakang penggabungan lubang hitam pada masa kini yang lebih besar daripada kanal benih berat yang lebih langka.

Batas yang diberikan pengamatan PTA

Perhitungan yang sama juga memberikan batas atas bagi populasi benih awal. Dalam kerangka yang digunakan para peneliti, kerapatan sekitar 10^-2 hingga 10^-1 Mpc^-3 akan menghasilkan energi gelombang gravitasi yang terlalu besar dibandingkan latar belakang yang diamati PTA. Artinya, dengan asumsi sinyal tersebut terutama berasal dari pasangan lubang hitam supermasif, data saat ini tidak mendukung populasi benih dalam kisaran tersebut.

Batas ini merupakan kendala pada tingkat populasi, bukan sensus langsung Dark Star. Kekuatan kesimpulannya bergantung pada sejumlah asumsi, termasuk cara benih terbentuk, laju akresi, sejarah penggabungan halo, kemungkinan pasangan lubang hitam terbentuk, evolusi pasangan tersebut, serta penafsiran atas sinyal PTA. PTA mendeteksi atau membatasi latar belakang gelombang gravitasi; instrumen ini tidak mengamati satu per satu bintang primordial.

Cara baru menguji fajar alam semesta

Makna yang lebih luas dari penelitian ini adalah bahwa astronomi gelombang gravitasi dapat menyelidiki objek yang mungkin sudah lama menghilang. Pengamatan elektromagnetik dapat mencari objek yang sangat terang atau sangat masif pada redshift tinggi, sedangkan PTA menguji sejarah penggabungan lubang hitam yang mungkin dihasilkan objek-objek tersebut.

Jika pengamatan PTA di masa depan dapat mempersempit amplitudo dan spektrum latar belakang, serta penjelasan melalui pasangan lubang hitam supermasif tetap menjadi kandidat utama, hasilnya dapat membantu membedakan sisa Dark Star, DCBH, dan jalur pembentukan benih awal lainnya.

Kontribusi utama studi ini adalah menjembatani fisika fajar kosmik dengan pengamatan nanohertz masa kini. Latar belakang gelombang gravitasi mungkin menyimpan informasi tentang bagaimana lubang hitam masif pertama terbentuk—bahkan jika Dark Star yang menjadi asalnya sudah tidak lagi terlihat.