Таинственный космический гул может исходить от 13-миллиардолетних тёмных звёзд

Слабый фон гравитационных волн, обнаруженный с помощью пульсаров, может содержать отголоски первых сверхмассивных чёрных дыр. Кредит: AI/ScienceDaily.com

Едва уловимый фон гравитационных волн сверхнизкой частоты, обнаруженный с помощью сетей пульсаров, может содержать ключи к событиям, произошедшим более 13 миллиардов лет назад, включая появление некоторых из самых ранних сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной.

В исследовании, опубликованном в виде письма в журнале Physical Review D, исследователи из Колгейтского университета Сохан Годла и Космин Или проверили, могли ли сверхмассивные чёрные дыры, возникшие в ранней Вселенной, в конечном итоге создать значительную долю фона гравитационных волн, который сейчас измеряется с помощью массива пульсарного тайминга (PTA).

Результаты связывают две области астрономии, которые на первый взгляд могут показаться далёкими друг от друга. Одна касается наблюдений удивительно массивных чёрных дыр, которые уже существовали, когда Вселенная была молодой. Другая касается гравитационных волн, порождённых миллиарды лет спустя парами сверхмассивных чёрных дыр, спирально сближающихся друг с другом.

Исследователи обнаружили, что один из возможных классов ранних зародышей чёрных дыр — остатки, оставленные сверхмассивными тёмными звёздами, — потенциально может давать доминирующий вклад в сигнал PTA.

«Массивы пульсарного тайминга обычно рассматриваются как зонды сверхмассивных двойных чёрных дыр в относительно недавней Вселенной», — сказал Или. «Наша работа показывает, что сигнал может также содержать информацию о том, как сформировались предки этих чёрных дыр на космическом рассвете. В этом смысле гравитационные волны, наблюдаемые сегодня, могут открыть новое окно в рождение первых сверхмассивных чёрных дыр».

Пульсары как точные космические часы

Массивы пульсарного тайминга полагаются на быстро вращающиеся нейтронные звёзды, известные как пульсары, которые действуют как чрезвычайно точные часы в космосе. Когда гравитационные волны проходят через космос, они вызывают крошечные изменения во времени прибытия радиоимпульсов на Землю. Отслеживая множество пульсаров в течение длительных периодов, международные исследовательские группы нашли доказательства стохастического фона гравитационных волн на наногерцовых частотах.

Наиболее широко принятым астрофизическим объяснением этого фона является популяция сверхмассивных двойных чёрных дыр, постепенно сближающихся по спирали. Системы, в которых общая масса чёрных дыр превышает примерно миллиард солнечных масс, вносят особенно важный вклад на частотах, обнаруживаемых PTA.

Но объяснение этих огромных чёрных дыр поднимает более глубокий вопрос. Астрономы до сих пор хотят знать, как сформировались их первоначальные зародыши. Обсерватории, включая космический телескоп Джеймса Уэбба и рентгеновскую обсерваторию «Чандра», обнаружили массивные чёрные дыры на неожиданно ранних этапах космической истории, что повысило интерес к механизмам формирования, способным быстро создавать крупные зародыши чёрных дыр.

Годла и Или исследовали, могли ли потомки таких древних зародышей сохраниться в течение космического времени, расти вместе со своими галактиками-хозяевами, в конечном итоге объединяться в пары и генерировать фон гравитационных волн, обнаруженный миллиарды лет спустя.

Могли ли тёмные звёзды породить гигантские чёрные дыры?

Исследователи изучили два возможных пути создания массивных зародышей чёрных дыр в ранней Вселенной: чёрные дыры прямого коллапса и чёрные дыры, образовавшиеся в результате коллапса сверхмассивных тёмных звёзд.

Тёмные звёзды — это гипотетические первичные звёзды, которые получали бы значительную часть своей энергии от нагрева, связанного с тёмной материей, а не полагались бы в основном на обычный ядерный синтез. В сценарии с WIMP-тёмной материей, рассматриваемом в исследовании, эти звёзды могли оставаться относительно холодными и протяжёнными, продолжая накапливать материал. При правильных условиях они могли вырасти до миллиона масс Солнца или более, прежде чем коллапсировать в массивные чёрные дыры.

Годла и Или смоделировали, как чёрные дыры, образованные этими путями, эволюционировали бы в течение космической истории. Они проследили за гало, содержащими чёрные дыры, оценили, как часто объекты сливались бы, и рассчитали фон гравитационных волн, который произвели бы эти слияния.

Их результаты показывают, что если бы остатки сверхмассивных тёмных звёзд существовали с плотностью примерно 10^-3 Мпк^-3, их потомки могли бы обеспечить большую и, возможно, доминирующую долю сигнала гравитационных волн, измеряемого PTA.

Популяция чёрных дыр прямого коллапса, рассмотренная в исследовании, по-видимому, была гораздо менее распространена. При характерных плотностях около 10^-6 Мпк^-3 эти объекты вносили бы существенно меньший вклад в наблюдаемый сигнал.

Использование гравитационных волн для зондирования космического рассвета

Один из ключевых выводов исследования заключается в том, что текущие измерения PTA могут наложить ограничения на то, насколько распространёнными могли быть самые ранние зародыши сверхмассивных чёрных дыр.

«Если произвести слишком много этих массивных зародышей, вы в конечном итоге перепроизведёте обнаруженный PTA сигнал. Если произвести слишком мало, вам понадобятся другие источники для эффективной сборки этих сверхмассивных чёрных дыр позже в жизни Вселенной, чтобы соответствовать наблюдениям PTA», — сказал Годла.

В рамках моделей, изученных исследователями, плотности зародышей в диапазоне от 10^-2 до 10^-1 Мпк^-3 начали бы генерировать больше фона гравитационных волн, чем позволяют наблюдения. Точный предел сильно зависит от масс гало тёмной материи, где изначально сформировались эти зародыши.

Это даёт наблюдениям PTA неожиданную возможность зондировать чрезвычайно древние популяции. Они могут быть в состоянии ограничить объекты, существовавшие при красных смещениях более 10, даже несмотря на то, что слияния их потомков, создающие гравитационные волны, происходят гораздо позже в космической истории.

Расчёты также подтверждают более раннее открытие, что двойные системы с общей массой чёрных дыр примерно выше 10⁹ солнечных масс доминируют в прогнозируемом сигнале PTA. Двойные системы, содержащие менее массивные чёрные дыры, вносят гораздо меньший вклад.

Связь тёмной материи, тёмных звёзд и чёрных дыр

Результаты создают новую наблюдательную связь между несколькими важными вопросами современной космологии, включая природу тёмной материи, формирование первых светящихся объектов, происхождение сверхмассивных чёрных дыр и гравитационные волны, путешествующие по Вселенной.

«Тёмные звёзды изначально были предложены как объекты, которые можно было бы увидеть непосредственно на космическом рассвете», — сказал Или. «Эта работа указывает на совершенно иной способ проверки их возможной роли в космической истории. Их потомки могут оставить гравитационно-волновой отпечаток, который сохраняется вплоть до современной Вселенной».

По мере того как измерения массивов пульсарного тайминга становятся более точными, а астрономы улучшают понимание далёких чёрных дыр и галактик, в которых они находились, исследователи смогут более чётко различать конкурирующие объяснения того, как сформировались первые сверхмассивные чёрные дыры во Вселенной.

Источники:

Материалы предоставлены Колгейтским университетом.

Сохан Годла, Космин Или. Реконструкция измерений PTA через раннее засеивание сверхмассивных чёрных дыр. Physical Review D, 2026; 114 (4) DOI: 10.1103/hvfd-8fkr