ترصد كواشف LIGO وVirgo وKAGRA بانتظام اندماجات ثقوب سوداء ذات كتل نجمية، لكن أصل هذه الأجسام يبقى لغزًا. وتُعدّ الثقوب السوداء الأولية، التي ربما تشكّلت في الكون المبكر، مرشحة لدور المادة المظلمة. وتحظى الثقوب السوداء ذات الكتل الأقل من كتلة الشمس باهتمام خاص: إذ يستحيل تفسيرها بتطور النجوم، لذا سيكون رصدها إشارة مباشرة إلى أصل أولي. تنقسم عمليات البحث الثقالية الحالية عن هذه الأجسام إلى معسكرين: مرشحات متوافقة لكتل قريبة من كتلة الشمس، وطرق شبه مترابطة للكتل الكوكبية. وبينهما فجوة واسعة في نطاق الكتل المُغَرِّدة من 0.01 إلى 0.1 من كتلة الشمس، حيث تستمر الإشارات من دقائق إلى ساعات وتتطور بسرعة في التردد. وهذا العمل يملأ هذه الثغرة تحديدًا باستخدام بيانات جلسات الرصد O4a وO4b من LIGO.
استخدم المؤلفون طريقة BinaryGFH-v2، التي تعمل على خرائط القمم: تمثيلات للبيانات في مستوى الزمن والتردد تُنتقى فيها القيم العظمى المحلية للقدرة التي تتجاوز عتبة معينة. وبالنسبة لقانون القدرة في تطور تردد النظام الثنائي، تنقل الطريقة القمم من مستوى زمن الكاشف وتردده إلى خطوط في مستوى التردد الابتدائي والكتلة المُغَرِّدة. جرى البحث في نطاق ترددي من 71 إلى 169 هرتز، مقسّمًا إلى خمس تشكيلات بأزمنة تحويل فورييه المترابط من 4 إلى 0.5 ثانية. واختير المرشحون بشكل مستقل في كاشفي هانفورد وليفينغستون، ثم طُلب توافق في المعاملات ضمن ثلاثة صناديق وتجاوز لمتوسط نسبة العتبة الحرجة البالغ نحو 6. وللتحقق من المرشحين استُخدمت إزالة تضمين الطور مع بحث لاحق عن انزياح ترددي متبقٍّ بطريقة هاف الترددية. واستغرق التحليل كله نحو 350 ساعة معالجية، أي أقل بمرتبتين إلى ثلاث مراتب من عمليات البحث شبه المترابطة السابقة، وأقل بأربع إلى خمس مراتب من الترشيح المتوافق.
لم ينجُ أي مرشح ذي دلالة في بيانات O4a وO4b. بعد مرحلة التوافق كان في O4a عدد 158870 مرشحًا، وفي O4b عدد 139260، لكن بعد تطبيق عتبة نسبة العتبة الحرجة بقي مرشح واحد في O4b، وبعد احتساب الأحداث دون العتبة حتى CR=5 صار العدد ثلاثة مرشحين. وقد رُفضت جميعها في مرحلة التحقق اللاحق لأن مساراتها الزمنية الترددية تقاطعت مع خطوط وأمشاط آلية معروفة. وأتاح غياب الأحداث وضع حدود عليا بثقة 90% على كثافة معدل الاندماجات في نطاق الكتل المُغَرِّدة من 0.01 إلى 0.1 من كتلة الشمس. وتربط هذه الحدود بين القيود الآتية من عمليات البحث الطويلة عن الكتل الكوكبية ومن الترشيح المتوافق للكتل الأعلى. وبافتراض أن الثقوب السوداء الأولية تشكّل أزواجًا في الكون المبكر دون كبت للاندماجات، حُصل على أول قيود ثقالية على نسبة الثقوب السوداء الأولية في المادة المظلمة: fPBH < 1 للكتل المتساوية وللأنظمة غير المتماثلة ذات كتلة ثانوية من 0.0003 إلى 0.01 من كتلة الشمس عند كتلة أولية 2.5 من كتلة الشمس.
يسدّ هذا العمل فجوة مهمة في عمليات البحث الثقالية عن الأجسام دون الشمسية، إذ يصل بين نمطين كانا منفصلين سابقًا. وخلافًا للدراسات المجاورة التي إما تغطي الكتل الكوكبية بطرق شبه مترابطة طويلة، أو تستخدم الترشيح المتوافق لكتل قريبة من كتلة الشمس، فإن هذا العمل يدرس للمرة الأولى بشكل منهجي النطاق الوسيط ذا التطور السريع في التردد. وتُظهر طريقة BinaryGFH-v2 أن مثل هذا البحث ممكن بتكاليف حسابية أقل بمراتب من البدائل. والقيود التي حُصل عليها على الثقوب السوداء الأولية لا تعتمد على دالة كتلية محددة ولا على عامل كبت، ما يتيح لباحثين آخرين إعادة حسابها وفق نماذجهم.
قد يشمل التطوير اللاحق تطبيق الطريقة على بيانات جلسات الرصد المستقبلية لـ LIGO وVirgo وKAGRA، وكذلك على بيانات الكواشف المخطط لها من الجيل التالي مثل Einstein Telescope وCosmic Explorer. وقد يؤدي تحسين تقدير الكثافة الطيفية للقدرة على فترات مترابطة قصيرة إلى رفع الحساسية في الجزء الأعلى من نطاق الكتل. كما يمكن توسيع التحليل ليشمل نطاقًا أوسع من الترددات والكتل، وكذلك الأنظمة الثلاثية أو المدارات اللامركزية.
تؤثر النتائج مباشرة في القيود على نسبة الثقوب السوداء الأولية في المادة المظلمة، إذ تقدم طريقة تحقق مستقلة عن العدسية الدقيقة. كما ترسم معالم لعمليات المسح الثقالية المستقبلية وللنماذج النظرية لتشكّل الأزواج في الكون المبكر.
ستكون الخطوة التالية تطبيق BinaryGFH-v2 على بيانات O4 الكاملة، بما في ذلك فترات التوافق الثلاثي مع Virgo، وعلى بيانات O5. وبالتوازي، يجدر تحسين خوارزميات تقدير الضجيج لتحويلات فورييه القصيرة لرفع الحساسية عند الكتل المُغَرِّدة العالية.
لا يزال سؤال طبيعة المادة المظلمة ووجود الثقوب السوداء الأولية قائمًا في مجال علم الفلك الثقالي. ويسهم هذا العمل في معالجة هذه المسألة بتقديم أول قيود في نطاق كتلي لم يُدرس سابقًا. كما يُظهر أن الطرق شبه المترابطة قادرة على تغطية الأنماط الوسيطة بفعالية، ما يفتح الطريق إلى رسم خريطة أكثر اكتمالًا لتعداد الأجسام المتضاغطة دون الشمسية.
الكتلة المُغَرِّدة هي تركيبة من كتلتي مكوّني النظام الثنائي، وهي التي تحدد معدل تغير تردد الموجة الثقالية. فبالنسبة لنظام من جسمين كتلة كل منهما 0.05 من كتلة الشمس، ستستمر الإشارة في كاشف LIGO نحو 20 دقيقة، متغيرة في التردد من 169 إلى 71 هرتز.
تُوظَّف فكرة الثقوب السوداء الأولية كمادة مظلمة في رواية غريغ إيغان «سلّم شيلد»، حيث تؤثر أجسام متضاغطة غريبة في بنية الفضاء. كما يتقاطع البحث عن أجسام دون شمسية غير مرئية مع حبكة فيلم «إنترستلر»، حيث تلعب الثقوب السوداء دورًا محوريًا في مصير البشرية.