Загадочные «темные звезды» могут быть зародышами сверхмассивных черных дыр

Фото из открытых источников

Загадочное гудение гравитационных волн, заполняющее космос, может быть эхом «тёмных звёзд», послуживших зародышами первых сверхмассивных чёрных дыр.

Эти низкочастотные гравитационные волны были обнаружены ещё в 2023 году с помощью массива космических маяков, или пульсаров, в так называемой «системе синхронизации пульсаров». Пульсары — это нейтронные звёзды, которые быстро и регулярно вращаются, испуская из своих полюсов коллимированные пучки излучения, которые можно использовать для обнаружения мельчайших флуктуаций в пространстве и времени. Такие флуктуации вызваны гравитационными волнами, или рябью в пространстве-времени.

Долгое время источник этого особого низкочастотного гравитационно-волнового фона оставался окутан тайной, но ученые надеялись, что в нем могут быть закодированы секреты Вселенной такой, какой она была около 13 миллиардов лет назад. Действительно, команда исследователей считает, что это гул пространственно-временных рябей может помочь объяснить, как сверхмассивные черные дыры так быстро росли еще до того, как Вселенной исполнился миллиард лет. Они связывают это решение с гипотетическими сверхмассивными «темными звездами», которые могли коллапсировать и погибнуть в ранней Вселенной, породив массивные зародыши черных дыр, что дало сверхмассивному росту черных дыр фору. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review D.

«Первоначально предполагалось, что темные звезды — это объекты, которые можно было бы наблюдать непосредственно на заре космоса», — сказал Илие. «Эта работа указывает на совершенно иной способ проверки их возможной роли в космической истории», — заявил соавтор исследования Космин Илие из Университета Колгейт. «Их потомки могли оставить след гравитационных волн, который сохраняется вплоть до современной Вселенной».

Системы синхронизации пульсаров регистрируют гравитационные волны, когда при их прохождении пространство сжимается и растягивается, а волны распространяются мимо них, вызывая крошечные задержки в пучках излучения пульсаров, достигающих Земли.

Однако для обнаружения фонового излучения гравитационных волн требовалось многолетнее наблюдение за массивами датчиков синхронизации пульсаров.

«Обычно массивы пульсарных датчиков 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 наблюдаемые сегодня гравитационные волны могут открыть новое окно в историю зарождения первых сверхмассивных черных дыр».

В настоящее время наиболее предпочтительным объяснением этого фона является космическая история двойных черных дыр, сближающихся по спирали перед слиянием, особенно пар с суммарной массой, превышающей массу Солнца более чем в 1 миллиард раз.

Однако это не объясняет, откуда взялись эти сверхмассивные черные дыры и как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) регулярно обнаруживает их еще до того, как Вселенной исполнилось 1 миллиард лет — несмотря на то, что цепочки питания и слияний, которые, как предполагается, приводят к образованию сверхмассивных черных дыр, должны занимать более 1 миллиарда лет.

Илие и его коллега из Университета Колгейт, Сохан Годла, задались вопросом, начинается ли рост сверхмассивных черных дыр с тяжелых зародышей, и образуются ли эти тяжелые зародыши в результате коллапса темных звезд.

Темные звезды — это гипотетические первичные звезды, которые, вместо того чтобы производить энергию посредством ядерного синтеза, питаются самоаннигиляющейся темной материей в своих ядрах. Поскольку темная материя питает эти первичные звезды, они остаются холодными по сравнению с другими звездными телами, что позволяет им продолжать аккрецировать материю на протяжении всей своей жизни.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока темные звезды не достигнут массы, в миллионы раз превышающей массу Солнца, и не коллапсируют под действием собственной гравитации, создавая массивные черные дыры; зародыши, которые сталкиваются и сливаются, образуя сверхмассивные черные дыры.

Концептуальное изображение двух черных дыр, вращающихся друг вокруг друга перед слиянием. Выглядит как два темных круга с желтыми завитками по всему периметру.

Илие и Годла смоделировали среду, в которой будут существовать и сливаться образовавшиеся зародыши черных дыр, рассчитав темпы слияния и его влияние на фон гравитационных волн.

Они обнаружили, что остатки сверхмассивных тёмных звёзд действительно могут вносить существенный, возможно, доминирующий вклад в фон гравитационных волн, обнаруженный в 2023 году. Это означает, что измерения, полученные с помощью массивов датчиков пульсарного времени, могут помочь определить, насколько многочисленны были зародыши тяжёлых чёрных дыр в ранней Вселенной.

«Если произвести слишком много таких массивных зародышей, то в итоге получится избыточное количество сигнала, регистрируемого массивом синхронизации пульсаров», — сказал Годла. «Если же произвести слишком мало, то потребуются другие источники для эффективного формирования этих сверхмассивных черных дыр на более поздних этапах существования Вселенной, чтобы соответствовать наблюдениям массива синхронизации пульсаров».

Ключевым определяющим фактором здесь будут массы гало темной материи, в которых обитают темные звезды и в которых формируются зародыши тяжелых черных дыр.

Чтобы определить, верна ли теория исследователей, возможно, придется подождать улучшения измерений фонового гравитационного излучения с помощью пульсарных тайминговых систем, а также лучшего понимания популяций черных дыр и их характеристик в ранней Вселенной.