Гравитационные волны могут рассказать о таинственных темных звездах

В последнее время астрофизики все чаще говорят о том, что скрытый гул гравитационных волн, пронизывающий Вселенную, может хранить секреты ее раннего детства. Ученые Сохан Годла и Космин Илие из Университета Колгейт представили новое исследование, в котором утверждается, что загадочный фоновый сигнал, улавливаемый через Pulsar timing array, способен рассказать о событиях, произошедших более 13 миллиардов лет назад, включая появление самых первых сверхмассивных черных дыр. Их работа опубликована в научном журнале Physical Review D.

Чтобы понять эту связь, нужно представить, как работает пульсарная временная решетка (PTA). Это, по сути, гигантский космический детектор, использующий нейтронные звезды, которые вращаются с невероятной точностью, подобно самым надежным часам во Вселенной. Когда гравитационные волны проходят через пространство, они едва заметно искажают его, и эти крошечные изменения в ритме пульсаров позволяют ученым регистрировать проходящий «шум». Основным источником этого низкочастотного гула сегодня считаются пары сверхмассивных черных дыр, которые, вращаясь друг вокруг друга, постепенно сближаются и сливаются.

Однако здесь возникает логичный вопрос: если мы видим столь огромные черные дыры, которые должны порождать этот сигнал, то откуда взялись их «зародыши» в столь ранней Вселенной? Современные телескопы, такие как Джеймс Уэбб и Чандра, все чаще находят удивительно массивные черные дыры в то время, когда вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Это заставляет ученых искать механизмы, которые могли бы объяснить быстрое появление таких гигантов.

Теперь исследователи решили проверить, могут ли «потомки» этих первых семян, вырастая вместе со своими галактиками, через миллиарды лет образовать те самые двойные системы и создать тот самый фон, который мы наблюдаем сейчас.

В своем исследовании авторы рассмотрели два возможных сценария рождения таких первичных семян. Первый — это черные дыры, возникающие при прямом коллапсе огромных облаков газа. Второй, гораздо более экзотический путь, связан с так называемыми темными звездами. Это гипотетические объекты, которые в ранней Вселенной могли светить не за счет термоядерного синтеза, как обычные звезды, а за счет энергии, выделяемой при взаимодействии частиц темной материи. Благодаря этому они оставались холодными и аморфными, но при этом продолжали наращивать массу, становясь в миллионы раз тяжелее Солнца, и лишь затем коллапсировали в массивные черные дыры.

Ученые математически проследили эволюцию таких необычных черных дыр на протяжении всей космической истории. Они смоделировали, как они росли, как сближались и сливались, и рассчитали, какой гравитационно-волновой сигнал они должны производить сегодня. Оказалось, что если плотность оставшихся от темных звезд черных дыр составляет примерно одну тысячную на кубический мегапарсек, то их вклад в наблюдаемый пульсарный сигнал может быть не просто заметным, а даже доминирующим. При этом альтернативный сценарий, то есть черные дыры прямого коллапса, по расчетам должны встречаться гораздо реже, а значит, их вклад в общий фон значительно скромнее.

Самый важный вывод этой работы заключается в том, что существующие данные с PTA можно использовать как инструмент космической переписи. Ученые поняли, что если ранних семян сверхмассивных черных дыр было слишком много, то современный фон гравитационных волн был бы гораздо сильнее, чем мы наблюдаем. Если же их слишком мало, то непонятно, как образовались те черные дыры, которые мы видим в молодой Вселенной.

Таким образом, нынешние измерения позволяют установить жесткие верхние рамки на количество таких первичных объектов, существовавших на заре времен, даже несмотря на то, что сами гравитационные волны от их слияний дошли до нас только сейчас.

В итоге исследование устанавливает удивительную связь между тремя, казалось бы, далекими областями науки: загадочной физикой темной материи, формированием первых светящихся объектов во Вселенной и современной гравитационно-волновой астрономией. Авторы предлагают взглянуть на детекторы гравитационных волн не просто как на приборы для наблюдения за сливающимися объектами в недавнем прошлом, а как на окно в самую раннюю историю вселенной.

Потомки первых темных звезд, если они действительно существовали, могли оставить неизгладимый гравитационный след. Дальнейшее уточнение данных с PTA в сочетании с наблюдениями за далекими галактиками поможет астрономам отличить один сценарий рождения черных дыр от другого и, возможно, наконец понять, как они возникли во Вселенной.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях