Надмасивні чорні діри в центрах галактик існували вже в дуже ранньому Всесвіті. Вони росли, зливаючись разом, але перед цим деякий час існували у вигляді пар. Нещодавнє дослідження пульсарів дає змогу встановити, яку масу вони при цьому мали.
Пульсари допомагають вловлювати гравітаційні сигнали пар чорних дір
Спостереження, проведені за допомогою таких приладів, як космічний телескоп James Webb, виявили наявність напрочуд масивних чорних дір у ранньому Всесвіті. Навіть менш ніж через мільярд років після Великого вибуху деякі з цих об’єктів уже мали масу, що в мільярди разів перевищувала масу Сонця, і досі астрономи не можуть зрозуміти, як вони змогли так швидко досягти таких величезних розмірів. Про це повідомляє сайт phys.org
Як повідомляє сайт рамках нового дослідження команда під керівництвом Іцінь Чена з Пекінського педагогічного університету використала масив спостереження за пульсарами, щоб вперше встановити прямі обмеження на існування пар надмасивних чорних дір у цей ранній період, відомий як «космічний світанок».
Коли дві надмасивні чорні діри обертаються одна навколо одної, вони повільно збурюють навколишній простір-час, поширюючи гравітаційні хвилі по всьому Всесвіту. Для пар такої маси один оберт може тривати близько року, при цьому хвилі утворюються надто повільно, щоб їх могли зафіксувати наземні детектори.
Натомість астрономи шукають їх за допомогою масивів синхронізації пульсарів: мереж швидко обертових нейтронних зір, розкиданих по всій нашій галактиці, які спалахують із регулярністю космічних годинників. Гравітаційна хвиля, що проходить повз, ледь помітно зміщує час цих спалахів, і ця зміна повторюється в усьому масиві.
Виокремлюючи сигнали від окремих пар на величезних відстанях, астрономи могли б з’ясувати, наскільки найперші надмасивні чорні діри зросли в результаті злиття. Однак стандартні методи пошуку не враховують розширення Всесвіту, яке розтягує гравітаційні хвилі під час їхнього поширення. Якщо ігнорувати отримане червоне зміщення, це може призвести до неправильних оцінок мас віддалених пар. Як наслідок, такі пошуки досі обмежуються лише найближчими ділянками Всесвіту.
Врахування червоного зсуву у сигналах далеких об’єктів
Щоб розв’язати цю проблему, команда Чена розробила новий підхід, який дозволяє врахувати сильний червоний зсув у сигналах, що походять із далекого раннього Всесвіту. Хвиля з червоним зсувом, яка досягає Землі, спочатку випромінювалася на вищій частоті, коли чорні діри оберталися на більш тісних орбітах і генерували сильніші хвилі. На диво, це посилення яскравості може переважати ослаблення, спричинене відстанню.
Щоб застосувати цю ідею, дослідники проаналізували 18 років спостережень за 30 пульсарами, отриманих за допомогою телескопічної мережі Parkes Pulsar Timing Array в Австралії. Потім вони поєднали результати своїх пошуків із відомими координатами та червоними зсувами двох об’єктів.
Першим був надзвичайно яскравий квазар, спостережений менш ніж через 900 мільйонів років після Великого вибуху. Другим була одна з найвіддаленіших галактик, коли-небудь виявлених телескопом James Webb, спостережена менш ніж через 300 мільйонів років після Великого вибуху. Разом ці джерела дозволили команді обчислити межі справжніх мас будь-яких пар чорних дір у цих системах.
Обмеження маси та майбутні пошуки
Щодо обох об’єктів команда виключила пари з масою близько 10 мільярдів сонячних мас або більше, що стало першим прямим обмеженням, встановленим за допомогою гравітаційних хвиль, щодо пар чорних дір у період космічного світанку.
Оскільки обсерваторія «Паркс» об’єднує свої дані з даними інших радіоаналізаторів, а майбутні об’єкти, такі як Square Kilometer Array, дозволять підвищити точність вимірювання періодів пульсарів, команда Чена сподівається, що ці обмеження незабаром стануть ще жорсткішими. У поєднанні зі спеціалізованими пошуками коротких спалахів гравітаційних хвиль ці дослідження можуть зробити менш екстремальні пари доступними для спостережень астрономів.
Загалом результати показують, що більші відстані не обов’язково ускладнюють виявлення пар чорних дір. Це може відкрити новий спосіб їх пошуку та допомогти пояснити, як такі масивні чорні діри з’явилися на такому ранньому етапі історії Всесвіту.
