Pulsarlar, erken evrendeki süper kütleli kara delik çiftlerine ilk kütle sınırlarını belirledi

Şimdiye kadar, James Webb Uzay Teleskobu da dahil olmak üzere araçlarla yapılan gözlemler, erken evrende şaşırtıcı derecede büyük kara deliklerin varlığını ortaya çıkardı. Büyük Patlama’nın üzerinden bir milyar yıldan az zaman geçmiş olmasına rağmen, bu cisimlerden bazıları halihazırda Güneş kütlesinin milyarlarca katı ağırlığa sahipti ve bugüne kadar gökbilimciler bunların nasıl bu kadar hızlı büyüdükleri konusunda net değiller.

Yayınlanan yeni araştırmalar sayesinde Fiziksel İnceleme MektuplarıPekin Normal Üniversitesi’nden Yiqin Chen liderliğindeki bir ekip, ‘kozmik şafak’ olarak bilinen bu erken dönemde, süper kütleli kara delik çiftlerine ilk doğrudan sınırları koymak için bir pulsar zamanlama dizisi kullandı.

Zor erken evren

İki süper kütleli kara delik birbirinin yörüngesinde dolandığında, çevredeki uzay-zamanı yavaşça karıştırırlar ve evren boyunca dalgalanan yerçekimsel dalgalar gönderirler. Bu kadar büyük çiftler için tek bir yörünge yaklaşık bir yıl sürebilir ve bu da Dünya tabanlı dedektörler için çok yavaş dalgalar üretir.

Bunun yerine, gökbilimciler onları pulsar zamanlama dizilerini kullanarak arıyorlar: kozmik saatlerin düzenliliğiyle yanıp sönen, hızla dönen nötron yıldızlarından oluşan ağlar galaksimize yayılıyor. Geçen bir kütleçekim dalgası, tüm dizi boyunca paylaşılan bir düzende, bu parlamaların zamanlamasını ustaca değiştiriyor.

Gökbilimciler, uzak mesafelerdeki bireysel çiftlerden gelen sinyalleri seçerek, en eski süper kütleli kara deliklerin birleşme yoluyla ne kadar büyüdüğünü ortaya çıkarabildiler. Bununla birlikte, standart aramalar, yerçekimi dalgalarının hareket ettikçe esnemesine neden olan evrenin genişlemesini göz ardı etmektedir. Ortaya çıkan kırmızıya kayma göz ardı edilirse, uzak çiftlerin kitlelerinde yanlış değerlendirmelere yol açabilir. Sonuç olarak bu arayışlar yakın evrenle sınırlı kaldı.

Kırmızıya kaymanın muhasebeleştirilmesi

Bu zorluğun üstesinden gelmek için Chen’in ekibi, uzak erken evrenden kaynaklanan sinyallerdeki güçlü kırmızıya kaymayı açıklayabilecek yeni bir yaklaşım geliştirdi. Dünya’ya ulaşan kırmızıya kayan dalga, başlangıçta kara deliklerin daha sıkı bir yörüngede döndüğü ve daha güçlü dalgalar ürettiği sırada daha yüksek bir frekansta yayıldı. Şaşırtıcı bir şekilde, bu parlaklık, mesafenin neden olduğu karartmayı aşabilir.

Bu fikri uygulamak için araştırmacılar, Avustralya’daki Parkes Pulsar Zamanlama Dizisinden 30 pulsarın 18 yıllık gözlemlerini analiz ettiler. Daha sonra aramalarını iki hedefin bilinen konumları ve kırmızıya kaymalarıyla birleştirdiler.

Bunlardan ilki, Büyük Patlama’dan 900 milyon yıldan az bir süre sonra gözlemlenen ultra parlak bir kuasardı. İkincisi, Büyük Patlama’dan 300 milyon yıl sonra gözlemlenen, JWST tarafından şimdiye kadar tespit edilen en uzak gökadalardan biriydi. Bu kaynaklar birlikte ekibin bu sistemlerdeki kara delik çiftlerinin gerçek kütlelerine ilişkin sınırları hesaplamasına olanak sağladı.

Aramaya devam ediliyor

Ekip, her iki hedef için de yaklaşık 10 milyar güneş kütlesi veya daha fazlasına sahip çiftleri eledi ve bu, kozmik şafakta kara delik çiftleri üzerinde ilk doğrudan kütleçekim dalgası kısıtlamalarını sağladı.

Parkes, verilerini diğer dizilerle birleştirdikçe ve Kilometre Kare Dizisi gibi gelecekteki tesisler pulsar zamanlamasını keskinleştirdikçe, Chen’in ekibi artık bu kısıtlamaların yakında daha da sıkılaşacağını umuyor. Kısa kütleçekim dalgası patlamalarına yönelik özel araştırmalarla birlikte bu çalışmalar, daha az sayıda aşırı çifti gökbilimcilerin gözlemlerine ulaştırabilir.

Sonuçların tamamı, daha büyük mesafelerin kara delik çiftlerinin tespit edilmesini zorlaştırmadığını gösteriyor. Bu, onları avlamak için yeni bir yol sunabilir ve bu kadar büyük kara deliklerin evrenin tarihinde nasıl bu kadar erken ortaya çıktığını açıklamaya yardımcı olabilir.