Ciemne gwiazdy mogły ukształtować tło fal grawitacyjnych o częstotliwości nanohertzowej

Związek jest zatem pośredni, ale istotny: dzisiejszy pomiar fal grawitacyjnych może testować konsekwencje scenariusza formowania obiektów z epoki kosmicznego świtu.

Dlaczego ważna jest granica miliona mas Słońca

Scenariusz ciemnych gwiazd staje się szczególnie interesujący, gdy obiekty osiągają masę około 10^6 mas Słońca lub większą. Ich zapadnięcie mogłoby dostarczyć znacznie cięższych punktów wyjścia do wzrostu czarnych dziur niż scenariusze zakładające lekkie zalążki. Jeśli takich pozostałości powstałoby dostatecznie dużo i później brałyby udział w zderzeniach, mogłyby wyraźnie zwiększyć przewidywane tło PTA.

To jednak wynik warunkowy. Badanie nie dowodzi, że supermasywne ciemne gwiazdy rzeczywiście istniały, ani że sygnał PTA pochodzi wyłącznie od ich pozostałości. Pokazuje, że wystarczająco liczna populacja bardzo masywnych ciemnych gwiazd mogłaby pozostawić po sobie czarne dziury zdolne wnieść znaczący wkład do obserwowanego sygnału.

Ciemne gwiazdy a czarne dziury z bezpośredniego zapadania

Autorzy porównali pozostałości po ciemnych gwiazdach z czarnymi dziurami powstałymi w wyniku bezpośredniego zapadania — tak zwanymi DCBH. To inny proponowany mechanizm tworzenia ciężkich zalążków we wczesnym Wszechświecie.

W modelu opisanym przez badaczy pozostałości po ciemnych gwiazdach o współporuszającej się gęstości około 10^-3 Mpc^-3 mogły dostarczyć znaczącej, a potencjalnie dominującej części tła PTA. Kanał DCBH, przy zastosowaniu znacznie niższych gęstości zalążków przyjętych w tym porównaniu, wnosił jedynie niewielki wkład lub pozostawał podporządkowany innym źródłom.

Różnica wynika z warunków powstawania obu populacji. DCBH wymagają na ogół rzadkich środowisk, w których pierwotny gaz zapada się bez fragmentacji — często pod wpływem intensywnego promieniowania ultrafioletowego z pobliskiego obszaru aktywnego formowania gwiazd. W scenariuszu ciemnych gwiazd potrzebne może być przede wszystkim odpowiednio odizolowane halo minihalo oraz długotrwały dopływ gazu. To otwiera możliwość powstania liczniejszej populacji.

Porównanie nie wyklucza więc DCBH. Wskazuje raczej, że — przy założeniach tego modelu — równie ważna jak masa pojedynczego zalążka jest jego liczebność. Liczniejsza populacja pozostałości po ciemnych gwiazdach może wygenerować większe późniejsze tło pochodzące od układów podwójnych niż rzadszy kanał ciężkich zalążków.

Co sygnał PTA mówi o liczebności zalążków

To samo obliczenie nakłada również górne ograniczenie na populację wczesnych zalążków. W ramach przyjętego modelu gęstości rzędu 10^-2–10^-1 Mpc^-3 prowadziłyby do emisji zbyt dużej energii fal grawitacyjnych w porównaniu z obserwowanym tłem PTA. Dane nie sprzyjają zatem tak licznym populacjom, jeśli założymy, że głównym źródłem sygnału są układy supermasywnych czarnych dziur.

Nie jest to bezpośredni spis ciemnych gwiazd, lecz ograniczenie dotyczące całej populacji zalążków. Jego siła zależy od założeń na temat formowania zalążków, akrecji, historii łączenia się halo, powstawania i ewolucji układów podwójnych oraz od samej interpretacji sygnału PTA. Macierze czasów pulsarów wykrywają — lub ograniczają — tło fal grawitacyjnych; nie rozdzielają pojedynczych gwiazd z początków Wszechświata.

Nowe narzędzie do badania kosmicznego świtu

Szersze znaczenie pracy polega na pokazaniu, że astronomia fal grawitacyjnych może badać obiekty, które dawno zniknęły. Obserwacje elektromagnetyczne mogą poszukiwać nietypowo jasnych lub masywnych obiektów przy dużych przesunięciach ku czerwieni, podczas gdy PTA analizują późniejszą historię łączenia się czarnych dziur, które takie obiekty mogły zapoczątkować.

Jeśli przyszłe pomiary PTA dokładniej określą amplitudę i widmo tła, a interpretacja oparta na układach supermasywnych czarnych dziur nadal będzie preferowana, dane mogą pomóc rozróżnić pozostałości po ciemnych gwiazdach, DCBH i inne kanały powstawania pierwszych zalążków. Najważniejszym rezultatem jest więc połączenie fizyki kosmicznego świtu z dzisiejszymi obserwacjami nanohertzowych fal grawitacyjnych: tło może przechowywać informację o tym, jak narodziły się pierwsze masywne czarne dziury, nawet jeśli same ciemne gwiazdy nie są już widoczne.