Таємничий фон гравітаційних хвиль дуже низької частоти, виявлених мережею пульсарів, може містити інформацію про події, що почалися більше 13 мільярдів років тому — включаючи утворення деяких перших надмасивних чорних дір у Всесвіті.
Сигнали давніх утворень надмасивних чорних дір
Як повідомляє сайт phys.org, у новому дослідженні, опублікованому у листі в Physical Review D, Соган Гходла та Космін Іліє з університету Колгейт досліджують, чи могли надмасивні чорні діри, що сформувалися в ранньому Всесвіті, зрештою створити значну частку гравітаційного хвильового фону, який зараз спостерігають за допомогою масивів пульсарного часу, або PTAs.
Їхні результати встановлюють прямий зв’язок між двома, здавалося б, різними спостережними фронтами: спостереженнями несподівано важких надмасивних чорних дір у молодому Всесвіті та гравітаційними хвилями, що породжуються подвійними надмасивними чорними дірами через мільярди років.
Дивно, але дослідники виявили, що одна з можливих популяцій раннього «насіння» чорних дір — чорні діри, що залишилися після надмасивних темних зір — потенційно може пояснити значну частину спостережуваного сигналу PTA.
«Масиви часового вимірювання пульсарів зазвичай вважають засобом дослідження подвійних систем надмасивних чорних дір у порівняно недавньому Всесвіті», — сказав Іліє. «Але наша робота показує, що сигнал також може містити інформацію про те, як формувалися предки тих чорних дір на космічному світанку. У цьому сенсі гравітаційні хвилі, які ми спостерігаємо сьогодні, можуть відкрити нове вікно на народження перших надмасивних чорних дір».
Використання масивів пульсарів для виявлення величезних чорних дір
Масиви таймінгу пульсарів використовують швидко обертові нейтронні зорі, які називаються пульсарами, як надзвичайно точні космічні годинники. Проходження гравітаційних хвиль тонко змінює час прибуття радіоімпульсів на Землю. Слідкуючи за багатьма пульсарами протягом років, колаборації по всьому світу виявили докази стохастичного гравітаційно-хвильового фону на наногерцевих частотах.
Провідне астрофізичне пояснення полягає в тому, що існує космічна популяція надмасивних чорних дір, які зближуються. Чорні діри з сумарною масою понад приблизно мільярд разів більше за масу Сонця особливо важливі на частотах PTA.
Але створення таких гігантських чорних дір ставить ще одне питання: звідки взялися їхні первинні «насіння»? Спостереження з допомогою таких обсерваторій, як космічний телескоп James Webb та Chandra, виявили масивні чорні діри неймовірно рано в космічній історії, що посилює інтерес до механізмів, здатних швидко створювати масивні чорні діри.
Ґодла та Іліє цікавилися, чи можуть нащадки таких ранніх «насінь» вижити, рости разом із своїми галактиками-господарями, зрештою утворити подвійні системи та створити фон гравітаційних хвиль, який вимірюють мільярди років потому.
Внесок темних зір у фон гравітаційних хвиль
Дослідники розглянули два ранні шляхи утворення чорних дір: чорні діри прямого колапсу та колапс надмасивних темних зір.
Темні зорі — це запропонований тип первісних зірок, основне джерело енергії яких пов’язане з нагріванням від темної матерії, а не з звичайним ядерним синтезом. У сценарії WIMP-частинок темної матерії, розглянутому в дослідженні, Темні зорі можуть залишатися відносно прохолодними та розтягнутими, продовжуючи накопичувати матерію і потенційно досягати маси в мільйон разів більше за масу Сонця або навіть більше, перш ніж колапсувати в масивні чорні діри.
У цій роботі Годла та Ілій простежили космологічну еволюцію чорних дір, що утворилися з таких насінин, змоделювали гало, в яких вони знаходяться, розрахували їхні частоти злиттів і передбачили відповідне тло гравітаційних хвиль. Вони виявили, що якщо залишки надмасивних темних зір мають густину порядку 10-3 Мпк-3, їхні нащадки можуть робити значний — і, можливо, домінуючий — внесок у сигнал гравітаційних хвиль PTA.
Конкурентна популяція чорних дір прямого колапсу, розглянута в дослідженні, очікується значно рідшою, з характерними густинами близько 10-6 Мпк-3, і, відповідно, робить набагато менший внесок.
Перетворення гравітаційних хвиль на перепис раннього Всесвіту
Головна ідея цієї роботи полягає в тому, що наявні вимірювання PTA можна використовувати, щоб встановити верхню межу того, наскільки багато ранніх зародків надмасивних чорних дір могло існувати. «Якщо створювати занадто багато таких масивних зародків, сигнал, виявлений PTA, буде занадто сильним. Якщо ж їх створювати замало, знадобляться інші джерела, щоб ефективно збирати ці надмасивні чорні діри пізніше в історії всесвіту, щоб відповідати спостереженням PTA», — сказав Годла.
Для моделей, які досліджували в дослідженні, вчені виявили, що густини насіння приблизно в діапазоні (10-2–10-1) Мпк-3 починають перевищувати виміряне гравітаційне фонове випромінювання, причому точне обмеження сильно залежить від мас темної матерії гало, в яких сформувалося це насіння. Це означає, що спостереження PTA можуть потенційно робити щось несподіване: обмежувати популяції об’єктів, що існували при червоних зміщеннях більше 10, навіть якщо зіткнення, які виробляють гравітаційні хвилі їхніх нащадків, відбуваються набагато пізніше. Розрахунок також підтверджує попередній результат, що подвійні системи з сумарною масою чорних дірок приблизно понад 10^9 сонячних мас домінують у передбачуваному сигналі PTA. Подвійні системи меншої маси значно менше впливають.
Результати надають новий спостережний зв’язок між фізикою темної матерії, формуванням перших світних об’єктів, походженням надмасивних чорних дір та астрономією гравітаційних хвиль.
Майбутні покращення у вимірюваннях PTA, у поєднанні з кращими обмеженнями щодо популяцій чорних дір на великому червоному зміщенні та їхніх галактик-господарів, могли б допомогти розрізнити різні сценарії походження перших надмасивних чорних дір у Всесвіті.
