Пульсары встревожили учёных: гравитационный фон вплотную подвёл к тайне «тёмных звёзд»

Анализ данных с массивов тайминга пульсаров выявил возможность использования гравитационного фона для изучения природы первых сверхмассивных черных дыр. Исследователи создали модель, в которой остатки гипотетических «темных звезд» могли стать основными источниками низкочастотных гравитационных волн, наблюдаемых сегодня. Работа позволяет связать современные астрономические данные с процессами, происходившими более 13 миллиардов лет назад, однако выводы основаны на теоретических моделях и требуют подтверждения наблюдениями.

В этом материале:

Метод тайминга пульсаров

В основе исследования лежат данные массивов тайминга пульсаров (Pulsar Timing Arrays, PTA). Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звезды, которые испускают радиосигналы с исключительной регулярностью, фактически работая как сверхточные космические часы.

Когда между Землей и пульсаром проходят гравитационные волны, они вызывают микроскопические изменения в интервалах прибытия сигналов. Наблюдая за сетью таких объектов в течение многих лет, ученые зафиксировали стохастический гравитационный фон на наногерцовых частотах. Считается, что этот шум создают пары сверхмассивных черных дыр, которые постепенно сближаются перед слиянием.

«Гравитационные волны, которые мы фиксируем сейчас, могут содержать информацию о том, как формировались предки этих черных дыр в эпоху космического рассвета», — отметил астрофизик Алексей Руднев.

Темные звезды как «семена» черных дыр

Главный вопрос современной астрофизики — как сверхмассивные черные дыры успели вырасти до таких размеров в ранней Вселенной. Сохан Годла и Космин Илие из Университета Колгата в своей работе, опубликованной в Physical Review D, рассмотрели гипотезу о «темных звездах».

Темные звезды — это теоретические объекты ранней Вселенной, источником энергии для которых служило не термоядерное синтез, а нагрев за счет темной материи (в частности, в сценарии с вимпами — слабо взаимодействующими массивными частицами). Такие звезды могли оставаться холодными и протяженными, поглощая огромное количество вещества. В результате они могли достичь массы в миллион Солнц и более, прежде чем коллапсировать в массивные черные дыры.

Сравнение сценариев формирования

Авторы сравнили два пути возникновения ранних черных дыр: прямой коллапс газовых облаков (direct collapse) и коллапс сверхмассивных темных звезд. Исследователи смоделировали эволюцию этих «семян» через всю историю космоса, учитывая темпы их слияния и создаваемый ими гравитационный фон.

Расчеты показали, что если плотность остатков темных звезд была достаточно высокой, их потомки могли стать основным источником наблюдаемого сегодня гравитационного шума. Вариант с прямым коллапсом из-за редкости таких событий дает значительно более слабый сигнал.

Ограничения и значимость работы

Результаты моделирования позволяют использовать текущие данные PTA для установления верхнего предела распространенности ранних черных дыр. Если бы массивных «семян» было слишком много (плотность от 10⁻² до 10⁻¹ Мпк⁻³), уровень гравитационного фона превысил бы реально наблюдаемый. Таким образом, современные измерения ограничивают параметры объектов, существовавших при красном смещении z > 10.

Однако работа имеет существенное ограничение: темные звезды остаются гипотетическими объектами. Модель предполагает их существование, но не доказывает его. Кроме того, точность ограничений сильно зависит от характеристик гало темной материи, в которых формировались эти звезды.

Данное исследование переводит поиск темных звезд из области прямого наблюдения за «космическим рассветом» в область анализа гравитационного эха. Для окончательного подтверждения гипотезы потребуется совместить данные PTA с более точными измерениями далеких галактик и их центральных черных дыр, что станет возможным с развитием инструментов вроде телескопа Джеймса Уэбба. 

Ежедневно — 24 истории о научных открытиях
Все они в наших соцсетях, подпишись

Автор Светлана Ёлкина

астрономия