Фони асроромези мавҷҳои гравитатсионии басомадашон ниҳоят паст, ки бо истифода аз массивҳои пулсарҳо ошкор шудааст, метавонад маълумот дар бораи рӯйдодҳое дошта бошад, ки беш аз 13 миллиард сол пеш рух додаанд. Ба ин рӯйдодҳо эҳтимол ташаккули аввалин сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассив дар коинот дохил мешавад.
Дар таҳқиқоти нав, ки дар маҷаллаи Physical Review D нашр шудааст, физикҳо Соҳан Гҳодла ва Космин Или аз Донишгоҳи Колгейт омӯхтанд, ки оё сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассиве, ки дар коиноти ибтидоӣ ташаккул ёфтаанд, метавонистанд манбаи қисми назарраси фони мавҷҳои гравитатсионӣ бошанд, ки имрӯз тавассути массивҳои пулсарӣ ба қайд гирифта мешавад.
Муҳаққиқон робитаи эҳтимолиро байни ду падидаи мушоҳидавӣ, ки дар назари аввал аз ҳам фарқ мекунанд, муайян карданд: сӯрохиҳои сиёҳи ғайриоддӣ калон дар коиноти ҷавон ва мавҷҳои гравитатсионӣ, ки миллиардҳо сол баъд ҳангоми якҷояшавии сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассив ба вуҷуд меоянд.
Яке аз сенарияҳои эҳтимолии пайдоиши аввалин сӯрохиҳои сиёҳ махсусан ҷолиб буд — фурӯпошии ситораҳои торики фавқулмассив. Тибқи ҳисобҳо, боқимондаҳои онҳо метавонистанд манбаи қисми назаррас ва дар баъзе шароит ҳатто қисми асосии фони мушоҳидашавандаи мавҷҳои гравитатсионӣ бошанд.
Соатҳои кайҳонӣ барои ҷустуҷӯи сӯрохиҳои сиёҳ
Массивҳои пулсарӣ ситораҳои нейтронии босуръат даврзанандаро ҳамчун соатҳои ниҳоят дақиқи кайҳонӣ истифода мебаранд. Мавҷҳои гравитатсионӣ вақти расидани импулсҳои радиоиро аз пулсарҳо ба Замин каме тағйир медиҳанд.
Бо мушоҳидаи шумораи зиёди пулсарҳо дар тӯли солҳои зиёд, астрономҳо метавонанд сигнали умумиро муайян кунанд, ки аз мавҷҳои гравитатсионӣ бо басомади тақрибан наногерц ба вуҷуд меояд.
Тавзеҳи асосии ин сигнал популятсияи системаҳои дугонаи сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассив ҳисобида мешавад, ки тадриҷан ба ҳам наздик шуда, дар ниҳоят якҷоя мешаванд. Интизор меравад, ки системаҳои дорои массаи умумии беш аз як миллиард массаи Офтоб саҳми махсусан калон дошта бошанд.
Аммо саволе ба миён меояд: «тухмҳо»-и аввалини чунин сӯрохиҳои сиёҳи азим аз куҷо пайдо шуданд?
Мушоҳидаҳо бо телескопҳо, аз ҷумла телескопҳои кайҳонии James Webb ва Chandra, нишон доданд, ки аллакай дар коиноти ибтидоӣ сӯрохиҳои сиёҳи ғайриоддӣ калон вуҷуд доштанд. Ин зарурати ҷустуҷӯи механизмҳоеро ба миён меорад, ки қодиранд зарраҳои ибтидоии онҳоро дар муддати кӯтоҳ ба вуҷуд оваранд.
Гҳодла ва Или таҳқиқ карданд, ки оё чунин сӯрохиҳои сиёҳи ибтидоӣ метавонистанд боқӣ монанд, ҳамроҳ бо галактикаҳои худ рушд кунанд, системаҳои дугона ташкил диҳанд ва дар ниҳоят фони мавҷҳои гравитатсиониеро ба вуҷуд оваранд, ки имрӯз мушоҳида мешавад.
Ситораҳои торик ҳамчун манбаи аввалин сӯрохиҳои сиёҳ
Олимон ду сенарияи ташаккули сӯрохиҳои сиёҳи ибтидоиро баррасӣ карданд: фурӯпошии мустақими абрҳои азими газӣ ва фурӯпошии ситораҳои торики фавқулмассив.
Ситораҳои торик объектҳои гипотетикӣ мебошанд, ки мавҷудияти онҳо то ҳол тасдиқ нашудааст. Дар модели баррасишуда, энергияи онҳо на тавассути синтези маъмулии термоядроӣ, балки тавассути гармшавии вобаста ба аннигилятсияи зарраҳои моддаи торик таъмин мешавад.
Чунин ситораҳо метавонистанд нисбатан хунук ва васеъ боқӣ монда, ҳамзамон моддаи атрофро фурӯ баранд. Тибқи модел, массаи онҳо метавонист ба як миллион массаи Офтоб ва бештар расад. Пас аз он онҳо метавонистанд фурӯ резанд ва ба сӯрохиҳои сиёҳи массив табдил ёбанд.
Муҳаққиқон эволютсияи минбаъдаи ин сӯрохиҳои сиёҳ, таъсири мутақобилаи онҳо бо галактикаҳо ва галоҳои моддаи торик, басомади якҷояшавии онҳоро ва фонеро, ки дар натиҷа аз мавҷҳои гравитатсионӣ ба вуҷуд меояд, моделсозӣ карданд.
Ҳисобҳо нишон доданд, ки ҳангоми зичии боқимондаҳои ситораҳои торики фавқулмассив тақрибан 10⁻³ ба як мегапарсеки мукааб, наслҳои онҳо метавонистанд саҳми назаррас ва эҳтимолан ҳатто қисми асосии сигнали мушоҳидашавандаи PTA-ро ташкил диҳанд.
Баръакс, сенарияи баррасишудаи фурӯпошии мустақими сӯрохиҳои сиёҳ зичии хоси хеле камтар — тақрибан 10⁻⁶ ба як мегапарсеки мукааб —ро пешбинӣ мекунад. Аз ин рӯ, саҳми он ба фонҳои мавҷҳои гравитатсионӣ хеле заифтар будааст.
Мавҷҳои гравитатсионӣ ҳамчун нишонаи аввалин сӯрохиҳои сиёҳ
Натиҷаи асосии таҳқиқот дар он аст, ки мушоҳидаҳои муосири мавҷҳои гравитатсионӣ метавонанд барои маҳдуд кардани шумораи сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассиве истифода шаванд, ки дар оғози мавҷудияти коинот вуҷуд доштанд.
Агар чунин объектҳо аз ҳад зиёд мебуданд, наслҳои онҳо баъдтар шумораи аз ҳад зиёди системаҳои дугонаи сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассивро ба вуҷуд меоварданд ва фони мавҷҳои гравитатсиониеро эҷод мекарданд, ки аз сатҳи мушоҳидашуда қавитар мебуд.
Барои моделҳои баррасишуда, зичии тухмҳои ибтидоӣ дар ҳудуди тақрибан 10⁻²–10⁻¹ ба як мегапарсеки мукааб аллакай метавонист боиси аз сатҳи мушоҳидашуда зиёд шудани фони мавҷҳои гравитатсионӣ гардад.
Маҳдудияти дақиқ аз массаи галоҳои моддаи торик, ки дар онҳо ин объектҳо ташаккул ёфтаанд, вобаста мебошад.
Ҳамин тавр, мушоҳидаҳои массивҳои пулсарӣ имкон медиҳанд, ки популятсияи объектҳои дар сурхгардиши z > 10 мавҷудбуда ғайримустақим таҳқиқ карда шавад, гарчанде ки якҷояшавии сӯрохиҳои сиёҳ, ки мавҷҳои гравитатсионии имрӯз ба қайд гирифташударо ба вуҷуд меоранд, хеле дертар рух додаанд.
Ҳисобҳо инчунин тасдиқ карданд, ки саҳми асосӣ ба сигнал бояд аз системаҳои дугонаи дорои массаи умумии тақрибан 10⁹ массаи Офтоб ва бештар бошад. Системаҳои сабуктар дар басомадҳои мавриди таваҷҷуҳ сигнали хеле заифтар ба вуҷуд меоранд.
Натиҷаҳо якчанд самти муҳими астрофизикаи муосирро ба ҳам мепайванданд: табиати моддаи торик, ташаккули аввалин ситораҳо ва галактикаҳо, пайдоиши сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассив ва астрономияи мавҷҳои гравитатсионӣ.
Агар ситораҳои торик воқеан вуҷуд дошта бошанд, наслҳои онҳо метавонистанд дар фони мавҷҳои гравитатсионӣ нишонаи мушоҳидашаванда боқӣ гузоранд, ки то имрӯз нигоҳ дошта шудааст.
Мушоҳидаҳои ояндаи массивҳои пулсарӣ, инчунин маълумоти дақиқтар дар бораи сӯрохиҳои сиёҳ дар коиноти ибтидоӣ ва галактикаҳои мизбони онҳо, барои санҷидани ин сенария ва муқоисаи он бо дигар моделҳои пайдоиши аввалин сӯрохиҳои сиёҳи фавқулмассив кӯмак хоҳанд кард.