Maailmankaikkeuden sydämen syke – ja mitä se kertoo alkuräjähdyksestä

Oletko koskaan ollut huoneessa niin hiljaisessa, että kuulit rakennuksen oman hurinan? Käy ilmi, että maailmankaikkeudella on oma vastineensa tälle: gravitaatioaaltojen taustahumina, joka kulkee avaruuden halki kuin kosmoksen syke. Ja tutkijat alkavat vasta ymmärtää, mistä se oikeastaan syntyy.

Ensimmäiset supermassiiviset mustat aukot

Tässä kohtaa asiat muuttuvat todella jännittäviksi. Tuore tutkimus viittaa siihen, että osa tästä kosmisesta huminasta saattaa olla kaikua tapahtumista, jotka sattuivat yli 13 miljardia vuotta sitten – silloin kun maailmankaikkeus oli vasta vauva. Puhumme ensimmäisestä sukupolvesta supermassiivisia mustia aukkoja, jotka syntyivät maailmankaikkeuden varhaisimmista ja eksoottisimmista tähdistä.

Entä jos tähdet polttivatkin pimeää ainetta?

Käydäänpä tämä läpi, koska se on melko hurja juttu. Tiedämme kaikki, miten tavalliset tähdet toimivat – ne ovat käytännössä valtavia fuusioreaktoreita, jotka törmäyttävät vetyatomeja yhteen ja vapauttavat valtavasti energiaa. Mutta entä jos kertoisin, että varhaisessa maailmankaikkeudessa saattoi olla täysin erilainen laji tähtiä?

Nämä hypoteettiset kohteet ovat nimeltään Pimeät tähdet (Dark Stars). Ne eivät saa energiaansa ydinfuusiosta kuten meidän Aurinkomme. Sen sijaan niitä voisi pitää yllä pimeä aine – se salaperäinen aine, joka muodostaa noin 27 prosenttia maailmankaikkeudesta mutta jota ei ole koskaan havaittu suoraan.

Tässä tulee se jännittävä osuus: jos pimeän aineen hiukkaset voisivat annihiloitua näiden tähtien sisällä (mikä on tietyissä olosuhteissa teoriassa mahdollista), ne vapauttaisivat tarpeeksi energiaa pitääkseen tähden hehkumassa ilman ydinfuusiota. Ja koska tämä pimeän aineen lämmitys toimisi eri tavalla kuin tavallinen fuusio, nämä tähdet voisivat kasvaa valtavan suuriksi – mahdollisesti miljoonia kertoja Aurinkomme massan suuruisiksi.

Mitä tällä on tekemistä gravitaatioaaltojen kanssa?

Hyvä kysymys. Gravitaatioaallot ovat käytännössä aika-avaruuden kudoksen aaltoilua. Voit ajatella niitä kuin veteen heitetyn kiven synnyttämiä ringoja. Nämä aallot syntyvät, kun äärimmäisen massiiviset kohteet kiihdyttävät liikettään – esimerkiksi kun kaksi mustaa aukkoa pyörii toistensa ympärillä ja lopulta törmää.

Tutkijat ovat käyttäneet niin sanottuja pulsariajoitusryhmiä (Pulsar Timing Arrays) näiden aaltojen havaitsemiseen. Pulsarit ovat nopeasti pyöriviä neutronicontähtiä, jotka toimivat kosmisina metronomeina lähettäen radiosignaaleja hämmästyttävällä tarkkuudella. Kun gravitaatioaallot kulkevat niiden läpi, ne aiheuttavat pieniä muutoksia signaalien saapumisaikaan Maahan. Vaikutus on uskomattoman hienovarainen – kuin mittaisi atomin leveyttä verrattuna tähtien väliseen etäisyyteen – mutta tähtitieteilijät ovat oppineet hallitsemaan sen.

Tutkimusryhmät ovat havainneet gravitaatioaaltojen taustahuminan, jonka todennäköisesti aiheuttavat lukemattomat supermassiivisten mustien aukkojen parit koko maailmankaikkeuden historian ajalta. Tavallinen selitys on, että näemme mustien aukkojen fuusioiden yhdistetyn gravitaatioaaltojen "laulun" miljardien vuosien ajalta.

Kadonnut palanen: Mistä nämä mustat aukot tulivat?

Tässä kohtaa uusi tutkimus muuttuu todella kiinnostavaksi. Tutkijat selvittivät, voisivatko varhaisessa maailmankaikkeudessa syntyneet supermassiiviset mustat aukot lopulta tuottaa sen gravitaatioaaltojen taustahuminan, jonka havaitsemme tänään. Erityisesti he tutkivat, voisivatko noista eksoottisista Pimeistä tähdistä syntyneet mustat aukot olla niiden mustien aukkojen esi-isiä, jotka tuottavat näitä aaltoja.

Vastaus näyttää olevan kyllä – ja se saattaa olla todella merkittävä osa tarinaa.

Tutkijat mallinsivat, miten nämä muinaiset mustat aukot evoluutioivat kosmisen ajan kuluessa. Ne kasvoivat isäntägalaksejensa mukana, pariutuivat satunnaisesti muiden mustien aukkojen kanssa ja lopulta fuusioituivat tuottaen gravitaatioaaltoja. Jos näitä Pimeän tähden jäänteitä oli tarpeeksi alkumaailmankaikkeudessa, niiden jälkeläiset voisivat selittää merkittävän osan gravitaatioaaltosignaalista, jonka nyt havaitsemme.

Miksi tällä on väliä

Tämä on iso juttu muutamasta syystä. Ensinnäkin se yhdistää kaksi tähtitieteen alaa, jotka eivät aina keskustele keskenään: gravitaatioaalttotieteen ja varhaisen maailmankaikkeuden tutkimuksen. Käytämme kirjaimellisesti tämän päivän mustien aukkojen fuusioita oppimaan siitä, mitä oli olemassa 13 miljardia vuotta sitten.

Toiseksi se tarjoaa mahdollisen ratkaisun yhteen tähtitieteen kinkkisimmistä arvoituksista: miten supermassiiviset mustat aukot kasvoivat niin isoiksi niin nopeasti? James Webb -avaruusteleskooppi on löytänyt mustia aukkoja, jotka olivat jo valtavia, kun maailmankaikkeus oli nuori, emmekä ole osanneet selittää, miten niillä oli aikaa kasvaa noin suuriksi. Pimeät tähdet voisivat tarjota vastauksen – niiden pimeän aineen polttoaine antaisi niille mahdollisuuden kerätä massaa paljon nopeammin kuin tavalliset tähdet.

Ja lopuksi: se antaa meille kokonaisen uuden tavan tutkia varhaista maailmankaikkeutta. Sen sijaan, että luottaisimme pelkästään valoon (jolla on rajansa, kun katsomme niin kauas taaksepäin), voisimme käyttää gravitaatioaaltoja täysin uutena ikkunana kosmiseen historiaan.

Katse tulevaisuuteen

Tutkimus viittaa siihen, että nykyiset gravitaatioaaltomittaukset voivat kertoa jotain siitä, kuinka yleisiä nämä varhaiset mustan aukon siemenet olivat. Uskomaton ajatus – käytämme aika-avaruuden aaltoja laskemaan kohteita, jotka syntyivät, kun maailmankaikkeus oli alle miljardi vuotta vanha.

Tietysti tämä on yhä teoreettista. Pimeät tähdet ovat yhä hypoteettisia, ja lisää työtä tarvitaan vahvistamaan, onko tämä todella se, mikä tuottaa kosmisen huminamme. Mutta se, että voimme edes esittää tällaisia kysymyksiä? Se on juuri sellaista, mikä tekee tähtitieteestä äärettömän kiehtovaa.

Maailmankaikkeus on aina lähettänyt viestejään – opimme vain yhä paremmin lukemaan niitä.