الطنين الكوني قد يكون في الواقع ثقوبًا سوداء قديمة تُصفّي حناجرها

ذلك الطنين الكوني الخافت الذي تسمعه؟ قد لا يكون ثلاجة الكون. يشير بحث جديد إلى أن الخلفية الموجية الثقالية التي اكتشفتها مصفوفات توقيت النباض قد تكون صدى شبحياً لثقوب سوداء فائقة الكتلة تشكلت قبل أكثر من 13 مليار سنة - ربما من انهيار 'نجوم مظلمة' افتراضية تعمل بالطاقة المظلمة.

في دراسة نُشرت كرسالة في Physical Review D، قام باحثا جامعة كولغيت سوهان غودلا وكوزمين إيلي بالتحقيق فيما إذا كانت الثقوب السوداء فائقة الكتلة المولودة في الكون المبكر يمكن أن تترك بصمة دائمة على الموجات الثقالية التي نكتشفها اليوم. العلاقة؟ الثقوب السوداء الضخمة بشكل مدهش التي شوهدت في الكون الشاب والموجات الثقالية المولدة بعد مليارات السنين عندما تلتوي أزواج من هذه العمالقة معًا.

وجد الفريق أن فئة واحدة محتملة من بذور الثقوب السوداء المبكرة - بقايا نجوم مظلمة فائقة الكتلة - يمكن أن تهيمن على إشارة مصفوفة توقيت النباض (PTA). كما قال إيلي: 'عادةً ما يُنظر إلى مصفوفات توقيت النباض على أنها مجسات لثنائيات الثقوب السوداء فائقة الكتلة في الكون الحديث نسبيًا. ما يظهره عملنا هو أن الإشارة قد تحتوي أيضًا على معلومات حول كيفية تشكل أسلاف تلك الثقوب السوداء عند فجر الكون.'

لغير المتمكنين من لغة النباض: تستخدم مصفوفات توقيت النباض نجومًا نيوترونية سريعة الدوران كساعات كونية. عندما تمر الموجات الثقالية، فإنها تغير بمهارة توقيت نبضات الراديو التي تصل إلى الأرض. من خلال تتبع العديد من النباضات، وجدت الفرق دليلاً على وجود خلفية موجية ثقالية عشوائية بترددات نانوهرتز - ربما من ثنائيات الثقوب السوداء فائقة الكتلة، خاصة تلك التي تتجاوز كتلتها المجمعة مليار شمس.

ولكن كيف أصبحت تلك الثقوب السوداء كبيرة جدًا بهذه السرعة؟ هنا تأتي النجوم المظلمة. هذه النجوم البدائية الافتراضية ستكون مدعومة بتسخين المادة المظلمة بدلاً من الاندماج النووي، مما يسمح لها بالنمو إلى مليون كتلة شمسية أو أكثر قبل الانهيار إلى ثقوب سوداء. قام غودلا وإيلي بنمذجة كيفية تطور هذه البذور واندماجها وإنتاج موجات ثقالية.

استنتاجهما؟ إذا كانت بقايا النجوم المظلمة موجودة بكثافة عددية تقارب 10^-3 Mpc^-3، فإن أحفادها يمكن أن تساهم بحصة كبيرة، وربما مهيمنة، في إشارة PTA. في المقابل، الثقوب السوداء الناتجة عن الانهيار المباشر، بكثافات قريبة من 10^-6 Mpc^-3، ستساهم بقدر أقل بكثير.

تسلط الدراسة الضوء أيضًا على تطور أنيق: يمكن لملاحظات PTA أن تحد من مدى شيوع هذه البذور المبكرة. 'إذا أنتجت الكثير من هذه البذور الضخمة، فسينتهي بك الأمر إلى الإفراط في إنتاج الإشارة المكتشفة بواسطة PTA. إذا أنتجت القليل جدًا، فستحتاج إلى مصادر أخرى لتجميع هذه الثقوب السوداء فائقة الكتلة بكفاءة في وقت لاحق'، قال غودلا. الكثافات البذرية حول 10^-2 إلى 10^-1 Mpc^-3 ستتجاوز الحدود المرصودة، اعتمادًا على كتل الهالات.

هذا يمنح PTAs قدرة غير متوقعة على فحص المجموعات عند انزياحات حمراء أكبر من 10 - أجسام قديمة يشكل أحفادها الموجات التي نراها اليوم. تؤكد الحسابات أيضًا أن الثنائيات ذات الكتل الإجمالية للثقوب السوداء التي تتجاوز حوالي 10^9 كتلة شمسية تهيمن على الإشارة.

لذا، في المرة القادمة التي تسمع فيها الطنين الكوني، تذكر: قد يكون بصمة الموجات الثقالية لأول ثقوب سوداء فائقة الكتلة في الكون، المولودة من نجوم تعمل بالطاقة المظلمة. من كان يعلم أن للكون أصولًا دراماتيكية هكذا؟