U februaru 2016, naučnici sa Laser Interferometar Gravitaciono-talasne opservatorije (LIGO) potvrdili su da su napravili prvu detekciju gravitacionih talasa (GV). Ovi događaji se dešavaju kada se masivni objekti poput neutronskih zvezda i crnih rupa spoje, šaljući talase kroz prostor-vreme koje se može otkriti milionima (pa čak i milijardama) svetlosnih godina daleko.
Od prvog događaja, više od 100 GV događaja je potvrđeno od strane LIGO-a, saradnje Advanced VIRGO, i Kamioka gravitacionog talasnog detektora (KAGRA).
Štaviše, naučnici su pronašli brojne primene za GV astronomiju, od ispitivanja unutrašnjosti supernova i neutronskih zvezda do merenja brzine širenja univerzuma i saznanja kako je izgledao jedan minut nakon Velikog praska.
U nedavnoj studiji koja je objavljena na arXiv serveru za preprint i prihvaćena za objavljivanje u Monthli Notices of the Roial Astronomical Societi, međunarodni tim astronoma predložio je još jednu aplikaciju za spajanje binarnih crnih rupa (BBH): korišćenje najranijih spajanja u univerzumu za ispitivanje prva generacija zvezda (Populacija III) u univerzumu.
Modelirajući kako su se događaji razvijali, oni su utvrdili kakve bi GV signale predloženi Ajnštajn teleskop (ET) mogao da posmatra u narednim godinama.
Studiju je vodio Bojuan Liu, postdoktorski istraživač u Centru za astronomiju Univerziteta u Hajdelbergu (ZAH) i član programa Ekcellence Cluster STRUCTURES.
Njemu su se pridružile kolege iz ZAH i Instituta fur Theoretische Astrophisik Univerziteta Hajdelberg, Kembridž instituta za astronomiju, Instituta za fiziku inteligencije, Instituta d’Astrophisikue de Paris, Centra de Recherche Astrophisikue de Lion, Gran Sasso Naučni institut (GSSI), Kavli institut za kosmologiju, Vajnbergov institut za teorijsku fiziku i više univerziteta.
Zvezde Populacije III su prve koje su se formirale u univerzumu, otprilike 100 do 500 miliona godina nakon Velikog praska. U to vreme, vodonik i helijum su bili najzastupljeniji oblici materije u univerzumu, što je dovelo do zvezda koje su bile veoma masivne i praktično nisu imale metale (niska metalnost).
Ove zvezde su takođe bile kratkog veka, trajale su samo 2 do 5 miliona godina pre nego što su iscrpile svoje vodonično gorivo i postale supernova. U ovom trenutku, teži elementi stvoreni u njihovim jezgrima (litijum, ugljenik, kiseonik, gvožđe, itd.) su se raspršili po kosmosu, što je dovelo do zvezda Populacije II i I sa većim sadržajem metalnosti.
Astronomi i kosmolozi ovaj period nazivaju „kosmičkom zorom“ pošto su ove prve zvezde i galaksije okončale „kosmičko mračno doba“ koje mu je prethodilo. Kako je Liu objasnio za Universe Todai putem e-pošte, svojstva Pop III zvezda su bila osetljiva na posebne uslove univerzuma tokom Kosmičke zore, koji su se veoma razlikovali od današnjih uslova. Ovo uključuje prisustvo oreola tamne materije, za koje naučnici veruju da su od vitalnog značaja za formiranje prvih galaksija:
„Vreme formiranja Pop III zvezda odražava tempo ranog formiranja strukture, što nas može naučiti o prirodi tamne materije i gravitacije. U standardnom kosmološkom modelu, formiranje kosmičke strukture je odozdo prema gore, počevši od malih oreola, koji zatim rastu akrecijom i spajanjem da bi postali veći oreoli.
„Očekuje se da zvezde Pop III budu masivne (> 10 solarnih masa, dostižući do 1 milion solarnih masa, dok današnje zvezde imaju prosečnu masu od ~ 0,5 solarne mase). Dakle, mnoge od njih će eksplodirati kao supernove ili postati masivne crne rupe (BH) kada im ponestane goriva za nuklearnu fuziju.“
Dalje se veruje da su ove Pop III crne rupe odakle su potekle prve supermasivne crne rupe (SMBH) u univerzumu. Kao što su astronomi pokazali, SMBH igraju važnu ulogu u evoluciji galaksija.
Osim što pomažu u formiranju novih zvezda i podstiču formiranje galaksija u ranom univerzumu, oni su takođe odgovorni za zaustavljanje formiranja zvezda u galaksijama ca. 2 do 4 milijarde godina nakon Velikog praska, tokom epohe poznate kao „kosmičko podne“. Rast ovih crnih rupa i UV zračenje koje emituju zvezde Pop III rejonizovale su neutralni vodonik i helijum koji su prožimali rani univerzum.
Ovo je dovelo do velike fazne tranzicije koja je okončala kosmičko mračno doba (oko milijardu godina nakon Velikog praska), omogućavajući univerzumu da postane „transparentan“ kakav je danas. Međutim, kako je Liu izjavio, kako je ovaj proces započeo ostaje nejasno:
„Uopšteno govoreći, zvezde Pop III označavaju početak kosmičke evolucije od stanja bez zvezda do sadašnjeg stanja sa bogatim fenomenima (rejonizacija, različite populacije galaksija sa različitim masama, morfologijama i sastavima, i kvazari koji se napajaju nagomilavanjem supermasivnih BH). Da bismo razumeli ovu složenu evoluciju, neophodno je okarakterisati njenu početnu fazu u kojoj dominiraju zvezde Pop III.“
Potvrda gravitacionih talasa (GV) bila je revolucionarna za astronome i od tada su predložene mnoge primene. Naučnici su posebno željni proučavanja primordijalnih GV stvorenih Velikim praskom, što će biti moguće sa GV detektorima sledeće generacije kao što je svemirska antena laserskog interferometra (LISA). Kako je Liu objasnio, postojeći GV detektori su uglavnom posvećeni proučavanju spajanja binarnih crnih rupa (BBH). Isto važi i za detektore koji se očekuju u bliskoj budućnosti. Liu je rekao:
„GV emisija iz BH binarnog sistema je jača kada su bliže. GV emisija odnosi energiju i ugaoni moment iz sistema tako da će se dve BH tokom vremena približiti i na kraju spojiti. Možemo detektovati GV signal samo na završnu fazu kada se spremaju da se spoje. BH ispod 10 solarnih masa) da se spoje unutar trenutnog doba univerzuma da bismo ih mogli videti.“
Pitanje je kako se dve crne rupe toliko približe jedna drugoj da će se na kraju spojiti? Astronomi se trenutno oslanjaju na dva evoluciona „kanala“ (skupovi fizičkih procesa koji rade zajedno) da bi modelirali ovaj proces: izolovanu binarnu evoluciju zvezda (IBSE) i dinamičko očvršćavanje nuklearnih zvezdanih jata (NSC-DH).
Kao što je Liu naveo, rezultirajuća spajanja BBH imaju različite karakteristike u stopi i svojstvima spajanja, u zavisnosti od kanala koji prate. Oni sadrže vredne informacije o osnovnim fizičkim procesima.
„Poznavanje kanala evolucije je neophodno da bi se izvukle takve informacije da bi se GV u potpunosti iskoristili kao sonda za astrofiziku i kosmologiju“, dodao je on.
Da bi utvrdio kako crne rupe formiraju binarne koje će se na kraju spojiti, tim je kombinovao oba kanala u jedan teorijski okvir zasnovan na poluanalitičkom modelu Drevne zvezde i lokalne posmatrane pomoću praćenja oreola (A-SLOTH). Ovaj model je prvi javno dostupan kod koji povezuje formiranje prvih zvezda i galaksija sa posmatranjima.
„Uopšteno govoreći, A-SLOTH prati termičku i hemijsku evoluciju gasa duž formiranja, rasta i spajanja oreola tamne materije, uključujući formiranje zvezda i uticaj zvezda na gas (zvezdane povratne informacije) na srednjoj skali pojedinačnih galaksija/ oreoli“, rekao je Liu.
Takođe su koristili Stellar EVolution za N-telo (SEVN) kod da predvide kako će zvezdane binarne evolucije evoluirati u BBH. Zatim su modelirali orbitu svake BBH u njihovim odgovarajućim oreolima tamne materije i tokom spajanja oreola, što im je omogućilo da predvide kada će se neke BBH spojiti.
U drugim slučajevima, BBH putuju u centar svojih galaksija i postaju deo nuklearnog zvezdanog jata (NSC), gde su podložni poremećajima, izbacivanju i očvršćavanju gravitacionim rasejanjem. Od ovoga su pratili evoluciju unutrašnjih binarnih orbita do trenutka spajanja ili prekida.
Kako je Lui objasnio, njihovi rezultati su imali značajne teorijske i opservacijske implikacije:
„S teorijske strane, moj rad je pokazao da izolovani kanal binarne evolucije dominira pri visokim crvenim pomacima (manje od 600 miliona godina nakon Velikog praska) i da je stopa spajanja osetljiva na stopu formiranja i početnu statistiku Pop III binarnih zvezda. Činjenica je da je većina (> 84%) BH binarnih sistema, posebno onih najmasovnijih, u početku preširoka da bi se spojila u doba svemira ako evoluiraju u izolaciji.
Ali značajan deo njih (~ 45%–64%) može se spojiti dinamičkim očvršćavanjem ako padnu u NSC. Ova predviđanja su korisna za identifikaciju i tumačenje porekla spajanja u posmatranjima.“
U pogledu rezultata opservacije, otkrili su da predviđeno otkrivanje spajanja Pop III BBH verovatno neće biti vidljivo trenutnim instrumentima kao što su LIGO, Advance Virgo i KAGRA, koji generalno posmatraju spajanja BBH bliže Zemlji.
„Iako Pop III spajanja potencijalno mogu predstavljati značajan deo najmasovnijih spajanja BH do sada otkrivenih (sa BH iznad 50 solarnih masa)“, rekao je Liu. „Teško je naučiti mnogo o zvezdama i galaksijama Pop III u ranom univerzumu iz postojećih podataka jer je veličina uzorka otkrivenih masivnih spajanja premala.
Međutim, detektori sledeće generacije kao što je Ajnštajn teleskop biće efikasniji u otkrivanju ovih udaljenih izvora GV. Kada bude završen, ET će omogućiti astronomima da istražuju univerzum kroz GV nazad u kosmičko mračno doba, pružajući informacije o najranijim spajanjima BBH, Pop III zvezdama i prvim SMBH.
„Moj model predviđa da Ajnštajn teleskop može da otkrije do 1400 spajanja Pop III godišnje, nudeći nam mnogo bolju statistiku za ograničavanje relevantne fizike“, rekao je Liu.
