Vesmírom sa šíri záhadný signál starý miliardy rokov. Pochádza z prekvapivého zdroja

Astronómovia už dlhšie registrujú slabý, no vytrvalý nízkofrekvenčný šum, ktorý sa šíri celým časopriestorom. Doteraz sme predpokladali, že ide výlučne o dozvuk zrážok obrích čiernych dier z modernejších epoch vesmíru. Nová prelomová štúdia publikovaná v prestížnom časopise Physical Review D však ukazuje, že pôvod tohto signálu siaha oveľa hlbšie do minulosti.

Dvojica vedcov Sohan Ghodla a Cosmin Ilie z americkej Colgate University prišla so zistením, že za týmto kozmickým bzučaním môžu stáť hypotetické temné hviezdy. Tieto kolosálne objekty žiarili v období kozmického úsvitu pred viac ako 13 miliardami rokov a po svojom zániku zanechali zárodky pre najväčšie gravitačné monštrá v kozme.

Vedci tak prepojili dve veľké záhady modernej astrofyziky, ktoré zdanlivo stáli samostatne. Prvou je existencia gigantických čiernych dier v mladom vesmíre, ktoré nedávno potvrdil aj Vesmírny ďalekohľad Jamesa Webba. Druhou je samotné pozadie gravitačných vĺn, ktoré v súčasnosti merajú pozemské detektory cez precíznu sieť rádiových pulzarov. Fascinujúce záhady pritom neustále objavujeme aj v našej bezprostrednej blízkosti, čo dokazujú aj podivné pozorovania, ktoré zachytil rover Curiosity na Marse.

Pulzary fungujú ako najpresnejšie hodiny vesmíru

Aby sme pochopili, čo astronómovia vlastne zachytili, musíme sa pozrieť na takzvané Pulsar Timing Arrays (PTA). Ide o medzinárodné projekty, ktoré využívajú rýchlo rotujúce neutrónové hviezdy ako gigantickú sieť vesmírnych hodín. Tieto objekty vysielajú k Zemi rádiové lúče s neuveriteľnou pravidelnosťou, ktorá prekonáva aj bežné atómové hodiny.

Keď medzi pulzarom a našou planétou prejde masívna gravitačná vlna, nepatrne natiahne alebo stlačí samotnú tkaninu časopriestoru. Výsledkom je miniatúrna odchýlka v príchode signálu, ktorú dokážu najmodernejšie rádioteleskopy zaznamenať. Dlhoročným sledovaním desiatok pulzarov vedci definitívne potvrdili existenciu stochastického pozadia gravitačných vĺn na nanohertzových frekvenciách.

Tento signál najčastejšie vytvárajú binárne systémy supermasívnych čiernych dier, ktoré okolo seba krúžia v centrách zrážajúcich sa galaxií. Ak má takáto dvojica kombinovanú hmotnosť presahujúcu miliardu hmotností Slnka, vysiela gravitačné vlny presne v spektre, na ktoré sú polia pulzarov citlivé.

Záhada obrích čiernych dier na počiatku času

Samotná existencia takýchto masívnych čiernych dier však stavia astrofyzikov pred neriešiteľný rébus. Štandardné modely totiž hovoria, že čierna diera potrebuje miliardy rokov na to, aby postupným pohlcovaním hmoty narástla do takýchto gigantických rozmerov. Webbov teleskop aj röntgenové observatórium Chandra však našli takéto monštrá už niekoľko stoviek miliónov rokov po Veľkom tresku.

Bolo teda jasné, že v ranom vesmíre museli existovať masívne zárodky, ktoré umožnili takýto bleskový rast. Otázkou zostávalo, ako tieto prvé zárodky vlastne vznikli. Jednou z teórií je priamy kolaps obrovských plynných mračien, no tento proces vyžaduje veľmi špecifické a zriedkavé podmienky.

Midjourney

Druhou, podstatne elegantnejšou alternatívou sú práve supermasívne temné hviezdy. Výskumníci z Colgate University sa preto rozhodli otestovať, či by potomkovia týchto záhadných objektov dokázali vysvetliť intenzitu gravitačného šumu, ktorý dnes merajú naše prístroje.

Ako funguje hviezda poháňaná temnou hmotou

Temné hviezdy nie sú tmavé v pravom zmysle slova, ale svoj názov dostali podľa zdroja svojej energie. Namiesto klasickej termojadrovej fúzie vodíka ich pri živote udržiava anihilácia častíc temnej hmoty, konkrétne teoretických častíc typu WIMP vo vnútri ich jadra.

Vďaka tomuto unikátnemu mechanizmu zostávali temné hviezdy relatívne chladné a nafúknuté do obrovských rozmerov. Namiesto toho, aby sa rýchlo prehriali a odvrhli okolitý materiál, dokázali nepretržite nasávať plyn z okolia a rásť do nevídaných rozmerov. Za priaznivých okolností mohli dosiahnuť hmotnosť viac ako miliónkrát väčšiu než Slnko.

Keď sa v jadre takejto hviezdy vyčerpala zásoba temnej hmoty, stratila tlak, ktorý ju držal pohromade. Následne sa okamžite zrútila a vytvorila masívny zárodok čiernej diery. Tento proces preskočil milióny rokov pomalého rastu, ktorým by museli prejsť bežné hviezdne čierne diery.

Simulácie potvrdili dominanciu temných hviezd

Autori štúdie vytvorili rozsiahly počítačový model, ktorý sledoval vývoj čiernych dier z temných hviezd od raného vesmíru až po súčasnosť. Sledovali, v akých halách temnej hmoty vznikali, ako často dochádzalo k ich vzájomným zrážkam a aké silné gravitačné vlny pritom vznikali.

Výsledky priniesli jasnú odpoveď. Ak mali pozostatky supermasívnych temných hviezd v ranom vesmíre priestorovú hustotu približne 10^-3 na kubický megaparsek, ich potomkovia dnes tvoria prevažnú väčšinu zaznamenaného gravitačného signálu. Ide o prekvapivo presnú zhodu s aktuálnymi meraniami sietí pulzarov.

Naopak, konkurenčný model priameho kolapsu plynu dosahuje hustotu len okolo 10^-6 na kubický megaparsek. Tieto čierne diery by do celkového šumu prispeli len zanedbateľným zlomkom energie, čo posúva teóriu temných hviezd na popredné miesto medzi kandidátmi.

Nové okno do najstarších etáp vesmíru

Merania gravitačných vĺn nám tak nečakane dávajú do rúk nástroj, ktorým môžeme nepriamo skúmať epochu kozmického úsvitu s červeným posunom z > 10. Astronómovia dokážu vďaka pulzarom stanoviť horné aj dolné limity pre početnosť týchto pradávnych objektov.

Ak by v mladom vesmíre vzniklo príliš veľa zárodkov z temných hviezd, gravitačný šum zachytený na Zemi by bol podstatne silnejší, než v skutočnosti pozorujeme. Ak by ich naopak vzniklo málo, vesmír by nedokázal vygenerovať dostatočný počet masívnych binárnych systémov s hmotnosťou nad miliardu Sĺnk, ktoré signálu dominujú.

Tento objav zásadným spôsobom prepája výskum tmavej hmoty, zrod prvých svietiacich objektov a evolúciu galaktických jadier. S rastúcou presnosťou polí pulzarov a novými dátami z vesmírnych observatórií budeme čoskoro schopní definitívne rozlúštiť, či v našom vesmíre skutočne kedysi dominovali hviezdy zrodené z temnej hmoty.

Čítajte viac z kategórie: Novinky