Neke crne rupe dosegnule su milijarde Sunčevih masa dok svemir još nije navršio ni milijardu godina. Kako su tako brzo narasle? Astronomi sada pomoću pulsara ispituju koliko su masivni mogli biti parovi crnih rupa koji su u tom ranom razdoblju kružili jedan oko drugoga.
U dugogodišnjim radijskim mjerenjima nisu izdvojili signal pojedinačnog para. Ipak, podaci su im omogućili da postave prve izravne granice za mase takvih sustava iz kozmičke zore. Dovoljno masivan par ostavio bi jači gravitacijski signal od onoga što opažanja dopuštaju, pa se dio mogućih kombinacija mase i orbitalne frekvencije može isključiti.
Yiqin Chen, Shi-Yi Zhao i suradnici iz međunarodne skupine Parkes Pulsar Timing Array u radu objavljenom 2. studenoga u časopisu Physical Review Letters metodu su primijenili na dva osobito udaljena cilja: iznimno sjajan kvazar J0100+2802 i galaksiju JADES-GS-z14-0, poznatu iz Webbovih opažanja.
Parovi koji prethode spajanju
Supermasivne crne rupe rastu prikupljanjem tvari iz okoline, a masu mogu povećavati i spajanjem s drugim crnim rupama. Opažanja udaljenih kvazara pokazuju da su se golemi objekti već oblikovali u ranoj povijesti svemira. Još se raspravlja o tome koliko su velika bila njihova početna sjemena, koliko su brzo prikupljala plin i koliko su njihovu rastu pridonijela spajanja.
Prije spajanja dvije crne rupe mogu dugo kružiti oko zajedničkog središta mase. Pritom odašilju gravitacijske valove koji rastežu i stiskaju prostor. Kod supermasivnih parova ti valovi mogu imati toliko niske frekvencije da jedan ciklus traje godinama.
Takve je sustave teško razlučiti samo po svjetlosti koju stvara plin u njihovoj okolini. Gravitacijski valovi omogućuju da se postojanje masivnog para provjeri drugim putem, neovisno o sjaju plina.
Pulsari kao precizni kozmički satovi
Pulsari su rotirajuće neutronske zvijezde. Kada njihovi snopovi zračenja pri vrtnji prelaze preko Zemlje, bilježimo pravilne impulse. Najstabilniji među njima mogu poslužiti poput iznimno preciznih satova. Gravitacijski val na putu između pulsara i Zemlje neznatno mijenja vremena u kojima ti impulsi stižu do nas.
Promatrajući veći broj pulsara, astronomi u tim odstupanjima traže zajednički obrazac. Australijski projekt Parkes Pulsar Timing Array prikupio je približno 18 godina mjerenja 32 milisekundna pulsara. U ovoj su analizi izostavljena dva koja gotovo nisu pridonosila osjetljivosti na gravitacijske valove, pa je u potrazi ostalo 30 pulsara.
Mreže pulsara već su dale snažne dokaze o pozadini niskofrekventnih gravitacijskih valova, za koju se smatra da nastaje zbrajanjem signala velikog broja nerazlučenih izvora. Nova studija traži dugotrajan signal pojedinačnog, iznimno masivnog para na poznatom položaju na nebu.
Širenje svemira mijenja račun
Za tako udaljene mete astronomi moraju uračunati i širenje svemira. Ono rasteže valnu duljinu gravitacijskih valova i snižava frekvenciju koju mjerimo na Zemlji. Taj se učinak naziva kozmološki crveni pomak.
U potrazi za parovima crnih rupa zbog njega se javlja i neobična prednost. Pri istoj frekvenciji izmjerenoj na Zemlji, valovi udaljenijeg para jednakih masa potječu iz kasnije faze približavanja, kada je gravitacijsko zračenje snažnije. To u određenim uvjetima može nadoknaditi slabljenje signala zbog udaljenosti. Metoda time ostaje osjetljiva na osobito masivne parove i u vrlo ranom svemiru.
Granice za dva udaljena sustava
Za kvazar J0100+2802 autori su koristili izmjereni crveni pomak 6,327, a za JADES-GS-z14-0 vrijednost 14,32. Poznati položaji i crveni pomaci omogućili su im da potragu usmjere na te sustave. J0100+2802 osobito je zanimljiv jer se masa njegove središnje crne rupe procjenjuje na oko 12 milijardi Sunčevih masa. Kozmos je o tom kvazaru pisao i u kontekstu utjecaja na stvaranje zvijezda u susjednim galaksijama.
Za moguće parove izračunate su gornje granice uz statističku pouzdanost od 95 posto. One ovise o frekvenciji gravitacijskog vala: reda su veličine deset milijardi Sunčevih masa, a u najosjetljivijem dijelu analiziranog pojasa spuštaju se na nekoliko milijardi.
Ti brojevi opisuju takozvanu chirp masu, posebnu kombinaciju masa obiju crnih rupa koja određuje jakost i razvoj gravitacijskog signala. Nije riječ o njihovu jednostavnom zbroju ni o masi svake crne rupe zasebno. Vrijednosti su preračunate na same udaljene sustave, bez utjecaja crvenog pomaka. Granice vrijede za korišteni model kružnih orbita, a autori posebno razmatraju parove jednakih masa.
Za J0100+2802 potraga već može ograničiti neke scenarije s dvjema vrlo masivnim crnim rupama. U galaksiji JADES-GS-z14-0 očekivana masa moguće središnje crne rupe znatno je ispod dosega sadašnjih mjerenja. Taj primjer pokazuje da se račun može primijeniti i na tako udaljen sustav, dok će za ispitivanje realističnih masa trebati osjetljivija opažanja.
Preciznije udaljenosti pulsara sužavaju potragu
Tim je u detaljnom prikazu analize ispitao i kako bi se budući signal mogao prepoznati. U simulirani skup od 40 godina opažanja 32 pulsara umetnuli su signal pretpostavljenog para nalik onome koji bi se mogao nalaziti u J0100+2802.
Kada su uključili preciznije udaljenosti za šest pulsara, mjesto umetnutog izvora odredili su znatno točnije. To je provjera na simuliranim podacima, a ne detekcija u stvarnim mjerenjima. Pokazuje koliko bi precizno poznavanje udaljenosti pulsara moglo pomoći da se potraga s velikog dijela neba usmjeri na mnogo manje područje.
Dulji nizovi opažanja i preciznije udaljenosti pulsara trebali bi suziti potragu. Ako timovi izdvoje signal stvarnog para, moći će provjeriti dolazi li iz poznatog kvazara ili galaksije i procijeniti mase crnih rupa koje se približavaju spajanju.
