Ten słaby kosmiczny szum, który słyszysz? To może nie być lodówka wszechświata. Nowe badania sugerują, że tło fal grawitacyjnych wykryte przez pulsarowe układy czasowe może być widmowym echem supermasywnych czarnych dziur, które powstały ponad 13 miliardów lat temu - prawdopodobnie z kolapsu hipotetycznych 'Ciemnych Gwiazd' napędzanych ciemną materią.

W badaniu opublikowanym jako List w Physical Review D, naukowcy z Colgate University, Sohan Ghodla i Cosmin Ilie, zbadali, czy supermasywne czarne dziury zrodzone we wczesnym Wszechświecie mogły pozostawić trwały ślad w falach grawitacyjnych, które wykrywamy dzisiaj. Związek? Zaskakująco masywne czarne dziury obserwowane w młodym Wszechświecie i fale grawitacyjne generowane miliardy lat później, gdy pary tych gigantów spiralnie zbliżają się do siebie.

Zespół odkrył, że jedna z możliwych klas wczesnych zarodków czarnych dziur - pozostałości supermasywnych Ciemnych Gwiazd - może potencjalnie dominować w sygnale Pulsarowego Układu Czasowego (PTA). Jak ujął to Ilie: 'Pulsarowe układy czasowe są zwykle postrzegane jako sondy supermasywnych binarnych czarnych dziur w stosunkowo niedawnym Wszechświecie. Nasza praca pokazuje, że sygnał może również zawierać informacje o tym, jak przodkowie tych czarnych dziur powstali u zarania kosmosu.'

Dla tych, którzy nie władają pulsarową nowomową: Pulsarowe Układy Czasowe wykorzystują szybko wirujące gwiazdy neutronowe jako kosmiczne zegary. Gdy fale grawitacyjne przechodzą, subtelnie zmieniają czas impulsów radiowych docierających do Ziemi. Śledząc wiele pulsarów, zespoły znalazły dowody na stochastyczne tło fal grawitacyjnych o częstotliwościach nanohercowych - prawdopodobnie pochodzące od supermasywnych binarnych czarnych dziur, zwłaszcza tych o łącznej masie przekraczającej miliard Słońc.

Ale jak te czarne dziury stały się tak duże tak szybko? Tu wkraczają Ciemne Gwiazdy. Te hipotetyczne pierwotne gwiazdy byłyby napędzane ogrzewaniem przez ciemną materię, a nie fuzją jądrową, co pozwoliłoby im urosnąć do miliona mas Słońca lub więcej, zanim zapadną się w czarne dziury. Ghodla i Ilie modelowali, jak takie zarodki ewoluowały, łączyły się i produkowały fale grawitacyjne.

Ich wniosek? Jeśli pozostałości Ciemnych Gwiazd istnieją w gęstości liczbowej około 10^-3 Mpc^-3, ich potomkowie mogliby wnosić duży, prawdopodobnie dominujący udział w sygnale PTA. W przeciwieństwie do tego, czarne dziury powstałe w wyniku bezpośredniego kolapsu, o gęstości bliskiej 10^-6 Mpc^-3, wnosiłyby znacznie mniej.

Badanie podkreśla również zgrabny zwrot: obserwacje PTA mogą ograniczyć, jak powszechne były te wczesne zarodki. 'Zbyt wiele tych masywnych zarodków i przesycisz sygnał wykrywany przez PTA. Zbyt mało, a potrzebujesz innych źródeł, aby później efektywnie zgromadzić te supermasywne czarne dziury' - powiedział Ghodla. Gęstości zarodków wokół 10^-2 do 10^-1 Mpc^-3 przekroczyłyby obserwowane limity, w zależności od mas halo.

Daje to PTA nieoczekiwaną zdolność do badania populacji przy przesunięciu ku czerwieni większym niż 10 - starożytnych obiektów, których potomkowie tworzą fale, które widzimy dzisiaj. Obliczenia potwierdzają również, że binarne układy o łącznej masie czarnych dziur powyżej około 10^9 mas Słońca dominują w sygnale.

Więc następnym razem, gdy usłyszysz kosmiczny szum, pamiętaj: to może być grawitacyjno-falowy ślad pierwszych supermasywnych czarnych dziur we wszechświecie, zrodzonych z gwiazd napędzanych ciemną materią. Kto by pomyślał, że wszechświat ma tak dramatyczne pochodzenie?