Kosmiczny szmer, który słyszymy po raz pierwszy

Zdarzyło ci się kiedyś siedzieć w pokoju tak cichym, że słyszałeś nawet szum budynku? Okazuje się, że Wszechświat też ma coś takiego — swoiste tło fal grawitacyjnych, które przepływają przez kosmos jak bicie serca całego istnienia. I dopiero teraz naukowcy zaczynają rozumieć, co może być tego przyczyną.

Gdzie pojawia się ta historia?

Sprawa robi się naprawdę ciekawa. Nowe badania sugerują, że część tego kosmicznego szmeru może być echem wydarzeń sprzed ponad 13 miliardów lat. Wtedy Wszechświat był jeszcze niemowlęciem. Mowa o pierwszych pokoleniach supermasywnych czarnych dziur, które powstały z najstarszych i najdziwniejszych gwiazd, jakie kiedykolwiek istniały.

Gwiazdy napędzane ciemną materią?

Muszę ci to wyjaśnić, bo to naprawdę niezwykłe. Wszyscy wiemy, jak działają zwykłe gwiazdy — to tak naprawdę ogromne reaktory fuzyjne. Zgniatają atomy wodoru, tworzą hel i wyrzucają przy tym masę energii.

Ale co jeśli powiem ci, że we wczesnym Wszechświecie mogły istnieć zupełnie inne obiekty?

Te hipotetyczne twory nazywamy Ciemnymi Gwiazdami (Dark Stars). Nie czerpałyby energii z fuzji jądrowej jak nasze Słońce. Zamiast tego — z ciemnej materii. Tego tajemniczego czegoś, co stanowi około 27% Wszechświata, ale nigdy nie zostało bezpośrednio wykryte.

Oto co jest fascynujące: gdyby cząstki ciemnej materii mogły się wzajemnie anihilować we wnętrzu takiej gwiazdy (co jest teoretycznie możliwe w pewnych warunkach), uwolniłyby wystarczająco dużo energii, żeby gwiazda świeciła bez żadnej fuzji. A ponieważ ten mechanizm działa inaczej niż zwykłe spalanie wodoru, takie gwiazdy mogłyby rosnąć do absurdalnych rozmiarów — potencjalnie miliony razy masywniejsze od Słońca.

Co to ma wspólnego z falami grawitacyjnymi?

Dobre pytanie.

Fale grawitacyjne to w zasadzie zmarszczki w strukturze czasoprzestrzeni. Wyobraź sobie fale rozchodzące się po stawie, gdy wrzucisz kamień. Powstają, gdy niezwykle masywne obiekty przyspieszają — na przykład gdy dwie czarne dziury krążą wokół siebie i ostatecznie się zderzają.

Naukowcy używają Tablic Timingowych Pulsarów do wykrywania tych fal. Pulsary to szybko obracające się gwiazdy neutronowe, które zachowują się jak kosmiczne metronomy. Wysyłają impulsy radiowe z niesamowitą precyzją. Gdy przez nie przechodzi fala grawitacyjna, powoduje minimalne przesunięcia w czasie dotarcia tych impulsów do Ziemi. To coś jak mierzenie szerokości atomu w porównaniu z odległością między gwiazdami. Ale astronomowie się tego nauczyli.

Badacze wykryli to, co wygląda jak tło fal grawitacyjnych — pewnie stworzone przez niezliczone pary supermasywnych czarnych dziur w całej historii Wszechświata. Standardowe wyjaśnienie mówi, że słyszymy połączoną "piosenkę" fal grawitacyjnych od zderzeń czarnych dziur przez miliardy lat.

Brakujący element: skąd te czarne dziury w ogóle się wzięły?

A tutaj zaczyna się prawdziwa zabawa. Naukowcy sprawdzili, czy supermasywne czarne dziury, które uformowały się bardzo wcześnie, mogłyby w końcu wyprodukować to tło fal grawitacyjnych, które teraz wykrywamy. W szczególności — czy czarne dziury narodzone z tych egzotycznych Ciemnych Gwiazd mogłyby być przodkami tych, które teraz tworzą te fale.

Odpowiedź brzmi: tak. I to może być naprawdę istotna część tej historii.

Badacze zamodelowali, jak te starożytne czarne dziury ewoluowały przez kosmiczny czas. Dorastały razem ze swoimi galaktykami, czasem łączyły się w pary z innymi czarnymi dziurami, w końcu się zderzały — generując przy tym fale grawitacyjne. Jeśli wystarczająco dużo tych pozostałości po Ciemnych Gwiazdach istniało we wczesnym Wszechświecie, ich potomkowie mogliby odpowiadać za znaczną część sygnału fal grawitacyjnych, który dziś rejestrujemy.

Dlaczego to jest ważne?

To ma znaczenie z kilku powodów.

Po pierwsze, łączy dwie dziedziny astronomii, które nie zawsze ze sobą rozmawiają: naukę o falach grawitacyjnych i badania kosmologii wczesnego Wszechświata. Używamy zderzeń czarnych dziur dzisiaj, żeby dowiedzieć się, co istniało 13 miliardów lat temu.

Po drugie, oferuje potencjalne rozwiązanie jednej z najtrudniejszych zagadek astronomii: jak supermasywne czarne dziury urosły takie ogromne tak szybko? Teleskop Jamesa Webba znalazł czarne dziury, które były już olbrzymie, gdy Wszechświat był młody. Wszyscy zastanawiali się, jak zdążyły urosnąć. Ciemne Gwiazdy mogą dawać odpowiedź — ich paliwo z ciemnej materii pozwalałoby im przybierać na masie znacznie szybciej niż zwykłym gwiazdom.

Po trzecie, daje nam zupełnie nowy sposób na badanie wczesnego Wszechświata. Zamiast polegać wyłącznie na świetle (które ma ograniczenia, gdy patrzymy tak daleko wstecz), możemy użyć fal grawitacyjnych jako całkiem nowego okna na kosmiczną historię.

Co dalej?

Badania sugerują, że obecne pomiary fal grawitacyjnych mogą nam powiedzieć coś o tym, jak powszechne były te wczesne zarodki czarnych dziur. Niesamowita myśl — używamy zmarszczek w czasoprzestrzeni, żeby liczyć obiekty, które powstały, gdy Wszechświat miał mniej niż miliard lat.

Oczywiście, to wciąż teoria. Ciemne Gwiazdy pozostają hipotetyczne i trzeba zrobić więcej pracy, żeby potwierdzić, czy to naprawdę one generują nasz kosmiczny szmer.

Ale fakt, że w ogóle możemy zadawać takie pytania? To jest dokładnie ten rodzaj rzeczy, który sprawia, że astronomia jest tak niekończąco fascynująca.

Wszechświat zawsze do nas przemawiał — my tylko uczymy się go coraz lepiej słuchać.