Загадочное гравитационное гулание может быть эхом первых чёрных дыр массой сверхмиллион солнечных масс
Слабый фон гравитационных волн на крайне низких частотах, недавно зафиксированный сетями наблюдений пульсаров, может содержать в себе следы событий, произошедших в первые эпохи Вселенной, включая рождение некоторых из её самых ранних сверхмассивных чёрных дыр. Двое исследователей из Колгейтского университета — Софан Гходла и Кошмин Илие — рассматривали, мог ли вклад предков современных сверхмассивных чёрных дыр обеспечить значительную долю сигнала, регистрируемого сейчас с помощью Pulsar Timing Arrays (PTA). Их работа опубликована в виде письма в Physical Review D.
Наблюдения объединяют две, на первый взгляд далекие области астрономии. С одной стороны, телескопы обнаруживают удивительно массивные чёрные дыры уже в молодой Вселенной. С другой — сети детекторов гравитационных волн, основанные на точном учёте импульсов от множества быстро вращающихся нейтронных звёзд (пульсаров), улавливают стохастический фон гравитационных волн в диапазоне наногерц. Самое распространённое объяснение этого фона — популяция бинарных сверхмассивных чёрных дыр, которые медленно спирально сближаются и сливаются; особенно существенный вклад дают пары с суммарной массой порядка миллиарда солнечных масс и выше. Однако происхождение исходных «зародышей» этих огромных чёрных дыр остаётся открытым вопросом.
Исследователи исследовали две возможные траектории образования массивных начальных чёрных дыр в ранней Вселенной: прямой коллапс газовых облаков (direct collapse) и коллапс очень больших «тёмных звёзд» (Dark Stars). Тёмные звёзды — гипотетические первичные звёзды, которые могли получать значительную часть своей энергии не от обычного ядерного синтеза, а от захороненной энергии, связанной с взаимодействиями частиц тёмной материи. В сценарии с WIMP (взаимодействующими слабо масс-ивыми частицами), рассматриваемом в работе, такие звёзды могли оставаться относительно холодными и растянутыми, продолжая накапливать вещество и вырастая до масс порядка миллиона солнечных масс или больше, прежде чем коллапсировать в массивные чёрные дыры.
Гходла и Илие смоделировали дальнейшую эволюцию чёрных дыр, образованных этими путями: проследили связующие гало, оценили частоту слияний и вычислили вклад таких слияний в ожидаемый фон гравитационных волн. Их расчёты показывают: если остатки сверхмассивных тёмных звёзд существовали с характерной числовой плотностью около 10^-3 на кубический мегапарсек, потомки этих объектов могли дать значительный, а возможно и доминирующий вклад в сигнал, регистрируемый сейчас PTA. Для популяции чёрных дыр, образовавшихся через прямой коллапс, характерные плотности, по оценкам авторов, были значительно ниже (порядка 10^-6 на кубический мегапарсек), и её вклад в наблюдаемый фон существенно меньше.
Одним из ключевых выводов статьи является то, что текущие измерения PTA уже накладывают ограничения на то, насколько распространёнными могли быть самые ранние «зерна» сверхмассивных чёрных дыр. По словам авторов, если таких массивных зародышей было слишком много, то предсказанный ими фон гравитационных волн превысил бы сейчас измеренные значения; если слишком мало — тогда требуются эффективные механизмы сборки больших масс в более позднюю эпоху, чтобы согласоваться с наблюдаемым сигналом. В рамках моделируемых сценариев плотности начальных объектов порядка 10^-2–10^-1 на кубический мегапарсек уже начали бы порождать фон гравитационных волн, превышающий нынешние наблюдательные пределы; точные границы зависят от масс тёмноматериальных гало, в которых эти зерна формировались.
Работа также подтверждает ранее сделанное заключение о том, что сигнал PTA в основном формируют бинарные чёрные дыры с суммарной массой порядка и выше миллиарда солнечных масс; системы с гораздо меньшими массами вносят гораздо меньший вклад. Это открывает неожиданный путь использования низкочастотных гравитационных волн для изучения «космического рассвета»: хотя сами слияния, создающие текущий гравитационный фон, происходят значительно позже, свойства фона позволяют ограничивать популяции объектов, существовавших в очень ранней Вселенной.
Соединение вопросов тёмной материи, тёмных звёзд и происхождения сверхмассивных чёрных дыр делает результаты особенно примечательными. Исследование указывает на то, что даже если тёмные звёзды не были замечены напрямую, их потомки могли оставить долговременный гравитационно-волновой отпечаток, который достигает наших приборов сегодня. По мере улучшения точности PTA-измерений и роста знаний о далёких чёрных дырах и их галактических окружениях станет возможным более чётко отличать различные сценарии образования первых сверхмассивных чёрных дыр и напрямую тестировать некоторые гипотезы о природе тёмной материи и роли тёмных звёзд в истории Вселенной.