Prve zvijezde u svemiru, golemi divovi koji su se pojavili nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska, mogle bi uskoro otkriti svoje tajne zahvaljujući novoj generaciji detektora gravitacijskih valova.
Astrofizičar N.V. Krishnendu sa Sveučilišta u Birminghamu predvodio je tim koji je simulirao kako bi budući detektori Cosmic Explorer (CE) i Einstein Telescope (ET) mogli uhvatiti sudare crnih rupa nastalih od tih prvih zvijezda, poznatih kao Population III ili Pop III. Rezultati, objavljeni na arXiv poslužitelju, pokazuju da bi novi instrumenti mogli detektirati događaje stare više od 13,5 milijardi godina — nešto što je trenutnim opservatorijima poput LIGO-a, Virga i KAGRA-e potpuno nedostižno.
Sadašnji detektori, iako su u samo jedanaest godina zabilježili oko 400 događaja, ograničeni su visokofrekventnim šumom koji im dopušta da vide tek oko 8 milijardi godina u prošlost. To je impresivno, ali nedovoljno za proučavanje prvih zvijezda koje su bile desetke do stotine puta masivnije od Sunca i koje su u pravilu kolabirale u crne rupe.
Ključna je frekvencija
Novi detektori donose revoluciju upravo u frekvencijskom rasponu. Simulacije su pokazale da detektor osjetljiv na 10 Hz može uhvatiti tek posljednje trenutke spiralnog približavanja dviju crnih rupa, dok onaj koji dosegne 5 Hz može zabilježiti više punih orbitalnih ciklusa prije sudara. Ta razlika, koja zvuči beznačajno, za astronome znači razliku između prepoznavanja drevnih sudara i njihova miješanja s običnim, obližnjim događajima.
Problem s kojim se znanstvenici suočavaju jest širenje svemira koje rasteže gravitacijske valove putem faktora 19 do trenutka kada stignu do Zemlje. Zbog toga se par crnih rupa od 30 Sunčevih masa, koje su se spojile u mladom svemiru, našim detektorima čini kao divovski binarni sustav od 1.100 Sunčevih masa. Razumijevanje tih iskrivljenja ključno je za točno tumačenje podataka.
Preciznost koja otvara nova pitanja
Simulacije su pokazale da bi novi detektori mogli izmjeriti fizičku masu drevnih crnih rupa s točnošću od oko 12 posto. To bi moglo rasvijetliti jednu od najvećih misterija moderne kozmologije: kako su supermasivne crne rupe nastale tako rano u povijesti svemira? Znanstvenici se spore oko toga jesu li njihova mjerenja bila pristrana ili su te nakaze doista narasle nevjerojatno brzo.
Detektori bi također trebali moći locirati izvor spajanja unutar područja od oko 60 kvadratnih stupnjeva u 60 posto slučajeva. Kombinacija tih podataka s informacijama iz divovskih radioteleskopa poput Square Kilometer Arraya (SKA) omogućila bi povezivanje crnih rupa s drugim kozmološkim fenomenima, primjerice protokom neutralnog vodika kroz svemir.
Ono što ostaje otvoreno pitanje jest hoće li se inženjerski izazovi izgradnje ovih detektora uopće prevladati. CE je planiran kao objekt u obliku slova L s kracima dugima do 40 kilometara, dok bi ET trebao biti podzemni trokut na Sardiniji sa stranicama od 10 kilometara. Oba projekta suočavaju se s tehničkim poteškoćama koje tek treba riješiti.
Ako budu izgrađeni, otvorit će se prozor u posljednje trenutke zvijezda koje su donijele prvo svjetlo u svemir. Pitanje nije samo što ćemo vidjeti, nego i hoćemo li prepoznati ono na što gledamo — jer drevni signali lako mogu zavarati nespremne promatrače.