Sciencemag.cz
Related Articles
Záhadné pozadí gravitačních vln s extrémně nízkou frekvencí, které zachytily sítě pulsarů, může nést informace o událostech z doby před více než 13 miliardami let – včetně vzniku některých z prvních supermasivních černých děr ve vesmíru.
V nové studii Sohan Ghodla a Cosmin Ilie z newyorské Colgate University zkoumají, zda supermasivní černé díry vzniklé ze zárodků v raném vesmíru nemohly nakonec vytvořit podstatnou část gravitačně-vlnového pozadí, které nyní pozorujeme pomocí metody PTA (Pulsar Timing Array, pole pulsarů pro přesné měření jejich časování).
Jejich výsledky ukazují potenciální souvislost mezi dvěma zdánlivě odlišnými oblastmi pozorování: mezi nečekaně masivními černými dírami v mladém vesmíru a gravitačními vlnami vyzařovanými dvojicemi supermasivních černých děr o miliardy let později.
Vědci zjistili, že jedna z možných populací raných zárodků (seeds) černých děr – pozůstatků po kolapsu supermasivních temných hvězd – by potenciálně mohla představovat dominantní podíl na pozorovaném signálu PTA.
Metoda PTA využívá rychle rotující neutronové hvězdy (pulsary) jako mimořádně přesné kosmické hodiny. Procházející gravitační vlny nepatrně mění časy, kdy jejich rádiové pulzy dorazí na Zemi. Díky dlouhodobému sledování mnoha pulsarů v průběhu let se mezinárodním výzkumným týmům podařilo získat důkazy o stochastickém gravitačně-vlnovém pozadí v nanohertzových frekvencích.
Nejpřijímanějším astrofyzikálním vysvětlením tohoto pozadí je populace binárních systémů tvořených supermasivními černými dírami, které se k sobě postupně přibližují. Černé díry s celkovou hmotností přesahující zhruba miliardu hmotností Slunce mají na frekvencích sledovaných pomocí PTA obzvláště významný podíl.
Vznik takových obrovských černých děr však vyvolává další otázku: Odkud pocházely jejich původní zárodky? Pozorování pomocí Vesmírného dalekohledu Jamese Webba a rentgenové observatoře Chandra odhalila masivní černé díry vzniklé překvapivě brzy po velkém třesku, což ještě více prohloubilo zájem o mechanismy schopné rychle vytvářet zárodky masivních černých děr.
Ghodla a Ilie se ptali, zda by potomci takových raných zárodků nemohli přežít, růst spolu se svými hostitelskými galaxiemi, nakonec vytvořit binární systémy a generovat gravitační vlnové pozadí měřitelné miliardy let později.
Vědci zvažovali dva mechanismy vzniku raných černých děr: černé díry vzniklé přímým kolapsem plynu a kolaps supermasivních temných hvězd.
Temné hvězdy představují navrhovaný typ dávných („primordiálních“) hvězd, jejichž hlavním zdrojem energie není běžná jaderná fúze, ale ohřev způsobený procesy spojenými s temnou hmotou. Ve scénáři temné hmoty typu WIMP, který studie zohledňuje, mohou temné hvězdy zůstat relativně chladné a objemné, zatímco nadále akretují běžnou hmotu, a potenciálně tak dosáhnout hmotnosti milionu Sluncí či více. Teprve poté zkolabují do masivních černých děr.
V nové studii Ghodla a Ilie sledovali kosmologický vývoj černých děr vzniklých z těchto zárodků, modelovali haló, v nichž se nacházejí, vypočítali míru jejich slučování a předpověděli výsledné gravitační vlnové pozadí. Zjistili, že pokud mají pozůstatky supermasivních temných hvězd hustotu řádově 10⁻³ Mpc⁻³, mohou jejich potomci významně – a potenciálně dominantně – přispívat k gravitačně-vlnovému signálu současných PTA.
Konkurenční scénář, tedy populace černých děr vzniklých přímým kolapsem, by měla být mnohem vzácnější, s charakteristickými hustotami kolem 10⁻⁶ Mpc⁻³, a v důsledku toho by měla představovat mnohem menší příspěvek.
Klíčovým poznatkem této práce je, že stávající měření PTA lze použít k určení horní hranice toho, jak hojné mohly být v raném vesmíru zárodky supermasivních černých děr. „Vytvoříte-li příliš mnoho těchto masivních zárodků, dojde k nadměrné produkci signálu detekovaného PTA. Vytvoříte-li jich příliš málo, budete potřebovat další zdroje, aby se tyto supermasivní černé díry mohly v pozdější fázi vývoje vesmíru efektivně vytvořit tak, aby odpovídaly pozorováním PTA,“ uvedl Ghodla.
U modelů zkoumaných v rámci této studie vědci zjistili, že hustoty zárodků v rozmezí přibližně 10⁻²–10⁻¹ Mpc⁻³ by začaly produkovat nadměrné množství naměřeného gravitačně-vlnového pozadí, přičemž přesné omezení silně závisí na hmotnostech haló temné hmoty, v nichž se tyto zárodky vytvořily.
To znamená, že pozorování PTA mohou potenciálně přinést nečekaný výsledek: omezit populace objektů, které existovaly při rudých posuvech větších než 10, i když ke sloučení jejich potomků, při němž vznikají gravitační vlny, dochází mnohem později. Výpočet také potvrzuje předchozí výsledek, že v předpovídaném signálu PTA dominují binární systémy s celkovou hmotností černých děr přibližně nad 10⁹ hmotností Slunce. Dvojice s nižší hmotností přispívají podstatně méně.
Sohan Ghodla et al, Reconstructing PTA measurements via early seeding of supermassive black holes, Physical Review D (2026). DOI: 10.1103/hvfd-8fkr. arXiv: arxiv.org/abs/2507.06163
Zdroj: Colgate University / Phys.org, přeloženo / zkráceno
