Тёмные звёзды могли оставить гравитационные «эхо» во Вселенной
Таинственный фон сверхнизкочастотных гравитационных волн, обнаруженный с помощью массивов пульсаров, может содержать информацию о событиях, произошедших более 13 млрд лет назад, включая формирование первых сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review D, физики Сохан Гходла и Космин Или из Колгейтского университета изучили, могли ли сверхмассивные чёрные дыры, сформировавшиеся в ранней Вселенной, стать источником значительной части гравитационно-волнового фона, который сегодня регистрируют массивы пульсаров.
Исследователи обнаружили возможную связь между двумя, на первый взгляд, разными наблюдательными явлениями: неожиданно массивными чёрными дырами в молодой Вселенной и гравитационными волнами, которые образуются при слиянии сверхмассивных чёрных дыр миллиарды лет спустя.
Особенно интересным оказался один из возможных сценариев происхождения первых чёрных дыр — коллапс сверхмассивных тёмных звёзд. Согласно расчётам, их остатки могли стать источниками значительной, а при определённых условиях и доминирующей части наблюдаемого гравитационно-волнового фона.
Космические часы для поиска чёрных дыр
Массивы пульсаров используют быстро вращающиеся нейтронные звёзды в качестве чрезвычайно точных космических часов. Гравитационные волны немного изменяют время прихода радиоимпульсов от пульсаров к Земле. Наблюдая за множеством пульсаров на протяжении многих лет, астрономы могут обнаружить общий сигнал, возникающий из-за гравитационных волн с частотой порядка наногерц.
Основным объяснением этого сигнала считается популяция сверхмассивных двойных чёрных дыр, которые постепенно сближаются и в конечном итоге сливаются. Особенно значительный вклад должны давать системы с суммарной массой более миллиарда масс Солнца.
Однако возникает вопрос, откуда взялись первые «семена» таких гигантских чёрных дыр. Наблюдения с помощью телескопов, включая космические телескопы James Webb и Chandra, показали, что уже в ранней Вселенной существовали неожиданно массивные чёрные дыры. Это заставляет искать механизмы, способные быстро сформировать их начальные зародыши.
Гходла и Или проверили, могли ли такие ранние чёрные дыры сохраниться, вырасти вместе со своими галактиками, сформировать двойные системы и в конечном итоге создать наблюдаемый сегодня гравитационно-волновой фон.
Тёмные звёзды как источник первых чёрных дыр
Учёные рассмотрели два сценария формирования ранних чёрных дыр: непосредственный коллапс массивных газовых облаков и коллапс сверхмассивных тёмных звёзд.
Тёмные звёзды — гипотетические объекты, существование которых пока не подтверждено. В рассматриваемой модели их энергия поддерживается не обычным термоядерным синтезом, а нагревом, связанным с аннигиляцией частиц тёмной материи.
Такие звёзды могли оставаться относительно холодными и расширенными, продолжая поглощать окружающее вещество. Согласно модели, их масса могла достигать миллиона масс Солнца и более, после чего они могли коллапсировать и превратиться в массивные чёрные дыры.
Исследователи смоделировали дальнейшую эволюцию этих чёрных дыр, их взаимодействие с галактиками и гало тёмной материи, частоту слияний и возникающий при этом гравитационно-волновой фон.
Расчёты показали, что при плотности остатков сверхмассивных тёмных звёзд порядка 10⁻³ на кубический мегапарсек их потомки могли бы давать значительную, а потенциально и основную часть наблюдаемого сигнала PTA.
Для сравнения, рассмотренный сценарий непосредственного коллапса чёрных дыр предполагает значительно меньшую характерную плотность — около 10⁻⁶ на кубический мегапарсек, поэтому его вклад в гравитационно-волновой фон оказался существенно слабее.
Гравитационные волны как след первых чёрных дыр
Главный результат работы заключается в том, что современные наблюдения гравитационных волн можно использовать для ограничения количества сверхмассивных чёрных дыр, существовавших на заре Вселенной.
Если таких объектов было слишком много, их потомки впоследствии образовали бы слишком большое количество двойных сверхмассивных чёрных дыр и создали бы гравитационно-волновой фон сильнее наблюдаемого.
Для рассмотренных моделей плотность исходных семян в диапазоне примерно 10⁻²–10⁻¹ на кубический мегапарсек уже могла бы привести к превышению наблюдаемого уровня гравитационно-волнового фона. Точное ограничение зависит от массы гало тёмной материи, в которых формировались эти объекты.
Таким образом, наблюдения массивов пульсаров позволяют косвенно исследовать популяции объектов, существовавших при красных смещениях z > 10, хотя сами слияния чёрных дыр, создающие регистрируемые сегодня гравитационные волны, происходят значительно позже.
Расчёты также подтвердили, что основной вклад в сигнал должны давать двойные системы с суммарной массой порядка 10⁹ масс Солнца и выше. Более лёгкие системы создают значительно более слабый сигнал на интересующих частотах.
Результаты связывают сразу несколько направлений современной астрофизики: природу тёмной материи, формирование первых звёзд и галактик, происхождение сверхмассивных чёрных дыр и гравитационно-волновую астрономию.
Если тёмные звёзды действительно существовали, их потомки могли оставить наблюдаемый след в гравитационно-волновом фоне, который сохраняется до наших дней. Будущие наблюдения массивов пульсаров, а также более точные данные о чёрных дырах в ранней Вселенной и их галактиках-хозяевах помогут проверить этот сценарий и сравнить его с другими моделями происхождения первых сверхмассивных чёрных дыр.
Исследование в журнале Physical Review D.