|
Темные звезды оставили после себя эхо
|
|
|
|
Загадочный фон гравитационных волн чрезвычайно низкой частоты, обнаруженный сетями пульсаров, может содержать информацию о событиях, начавшихся более 13 миллиардов лет назад, включая образование некоторых из первых сверхмассивных черных дыр во Вселенной.
|
|
|
|
В новом исследовании, опубликованном в письме в журнале Physical Review D, Сохан Годла и Космин Илие из Университета Колгейт изучают, могут ли сверхмассивные черные дыры, образовавшиеся в ранней Вселенной, в конечном итоге произвести значительную часть фонового излучения гравитационных волн, наблюдаемого в настоящее время с помощью систем синхронизации пульсаров (PTA).
|
|
|
|
Их результаты устанавливают прямую связь между двумя, казалось бы, разными наблюдательными областями: наблюдениями неожиданно массивных черных дыр в молодой Вселенной и гравитационными волнами, производимыми сверхмассивными двойными системами черных дыр миллиарды лет спустя.
|
|
|
|
Примечательно, что исследователи обнаружили, что одна из возможных популяций ранних зародышей черных дыр — черные дыры, оставленные сверхмассивными темными звездами, — потенциально может вносить существенный вклад в наблюдаемый сигнал PTA.
|
|
|
|
|
|
|
«Массивы пульсарного времени обычно рассматриваются как зонды для исследования двойных систем сверхмассивных черных дыр в относительно молодой Вселенной», — сказал Илие. «Наша работа показывает, что сигнал может также содержать информацию о том, как предки этих черных дыр сформировались на заре космоса. В этом смысле гравитационные волны, наблюдаемые сегодня, могут открыть новое окно в рождение первых сверхмассивных черных дыр».
|
|
|
|
Использование космических часов для обнаружения огромных черных дыр
|
|
|
|
Массивы пульсарного времени используют быстро вращающиеся нейтронные звезды, называемые пульсарами, в качестве чрезвычайно точных космических часов. Проходящие гравитационные волны незаметно изменяют время прихода радиоимпульсов, достигающих Земли. Наблюдая за многими пульсарами в течение многих лет, коллаборации по всему миру обнаружили свидетельства стохастического гравитационно-волнового фона на наногерцовых частотах.
|
|
|
|
Ведущее астрофизическое объяснение — это космическая популяция сближающихся двойных систем сверхмассивных черных дыр. Черные дыры с суммарной массой, превышающей примерно миллиард масс Солнца, вносят особенно важный вклад в частотные характеристики PTA.
|
|
|
|
Но формирование таких огромных черных дыр поднимает другой вопрос: откуда взялись их первоначальные зародыши? Наблюдения с помощью таких установок, как космический телескоп Джеймса Уэбба и телескоп Чандра, выявили массивные черные дыры на удивительно ранних этапах космической истории, что усилило интерес к механизмам, способным быстро производить массивные зародыши черных дыр.
|
|
|
|
Годла и Илие задались вопросом, могут ли потомки таких ранних зародышей выжить, расти вместе со своими галактиками-хозяевами, в конечном итоге образовать двойные системы и генерировать гравитационно-волновой фон, измеренный миллиарды лет спустя.
|
|
|
|
Возможный гравитационно-волновой след темных звезд
|
|
|
|
Исследователи рассмотрели два ранних канала образования черных дыр: черные дыры прямого коллапса и коллапс сверхмассивных темных звезд.
|
|
|
|
Темные звезды — это предполагаемый тип первичных звезд, основным источником энергии которых является нагрев, связанный с темной материей, а не обычный ядерный синтез. В рассматриваемом в исследовании сценарии с участием WIMP-частиц темной материи темные звезды могут оставаться сравнительно холодными и протяженными, продолжая аккрецировать материю, потенциально достигая масс в 1 миллион раз превышающих массу Солнца или более, прежде чем коллапсировать в массивные черные дыры.
|
|
|
|
В этой работе Годла и Илие проследили космологическую эволюцию черных дыр, образованных такими зародышами, смоделировали гало, в которых они находятся, рассчитали скорости их слияния и предсказали результирующий гравитационно-волновой фон. Они обнаружили, что если остатки сверхмассивных темных звезд имеют плотность порядка (10^-3) Мпк^-3, то их потомки могут внести существенный — и потенциально доминирующий — вклад в гравитационно-волновой сигнал PTA.
|
|
|
|
Конкурирующая популяция черных дыр, образовавшихся в результате прямого коллапса и рассматриваемая в исследовании, предположительно гораздо реже встречается, имея характерную плотность около (10^-3) Мпк^-3, и, следовательно, вносит гораздо меньший вклад.
|
|
|
|
Превращение гравитационных волн в перепись ранней Вселенной
|
|
|
|
Ключевой вывод этой работы заключается в том, что существующие измерения PTA могут быть использованы для установления верхнего предела того, насколько многочисленными могли быть ранние зародыши сверхмассивных черных дыр. «Если произвести слишком много этих массивных зародышей, вы в конечном итоге получите избыточное количество сигнала, обнаруженного PTA. Если произвести слишком мало, вам понадобятся другие источники для эффективного формирования этих сверхмассивных черных дыр на более поздних этапах жизни Вселенной, чтобы соответствовать наблюдениям PTA», — сказал Годла.
|
|
|
|
Для моделей, исследованных в данном исследовании, ученые обнаружили, что плотность зародышей в диапазоне приблизительно (10^-2 - (10^-1) Мпк^-3 начнет завышать измеренный фон гравитационных волн, причем точное ограничение будет сильно зависеть от масс гало темной материи, в которых образовались зародыши.
|
|
|
|
Это означает, что наблюдения PTA потенциально могут сделать нечто неожиданное: ограничить популяции объектов, существовавших на красных смещениях более 10, даже несмотря на то, что слияния их потомков, порождающие гравитационные волны, происходят гораздо позже. Расчет также подтверждает предыдущий результат, согласно которому двойные системы с общей массой черных дыр примерно выше (10^9) солнечных масс доминируют в предсказанном сигнале PTA. Двойные системы меньшей массы вносят значительно меньший вклад.
|
|
|
|
Результаты обеспечивают новую наблюдательную связь между физикой темной материи, формированием первых светящихся объектов, происхождением сверхмассивных черных дыр и гравитационно-волновой астрономией.
|
|
|
|
«Темные звезды первоначально были предложены как объекты, которые можно было бы наблюдать непосредственно в космическом диапазоне». «Рассвет», — сказал Илие. «Эта работа указывает на совершенно иной способ проверки их возможной роли в космической истории. Их потомки могли оставить след гравитационных волн, который сохраняется вплоть до современной Вселенной».
|
|
|
|
Будущие улучшения в измерениях PTA в сочетании с более точными ограничениями на популяции черных дыр на больших красных смещениях и их галактики-хозяева, таким образом, могут помочь различить различные сценарии происхождения первых сверхмассивных черных дыр во Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
