Новейшие детекторы гравитационных волн могут обнаружить первые черные дыры

Фото из открытых источников

Через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва загорелись первые звезды — буквально момент «да будет свет» для Вселенной. Эти гиганты, известные астрономам как звезды третьего поколения (Pop III), сильно отличались от звезд, известных нам сегодня. Они образовались из чистого водорода и гелия, практически без «металла» (то есть других элементов), сдерживающих их рост. Они также были огромными, достигая размеров в десятки и сотни раз превышающих Солнце. И они умирали молодыми, во многих случаях коллапсируя в самые ранние черные дыры Вселенной. Некоторые из этих черных дыр даже объединялись, в конечном итоге сталкиваясь друг с другом и создавая гравитационные волны, которые, если у нас будут достаточно чувствительные приборы, мы потенциально сможем обнаружить. 

Новое исследование, проведенное астрофизиком Н.В. Кришненду из Бирмингемского университета и его коллегами, показывает, как много мы можем узнать о них с помощью нового набора гравитационных детекторов, которые скоро будут введены в эксплуатацию.

Современные обсерватории гравитационных волн, такие как LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии, доказали свою высокую эффективность. Они зарегистрировали около 400 событий, первое из которых произошло всего около одиннадцати лет назад. Однако их возможности ограничены расстоянием, что также означает время, когда речь идёт о пространстве. Из-за ограничений на высокие частоты они могут наблюдать только события за последние 8 миллиардов лет. Всё ещё впечатляюще, но недостаточно для получения каких-либо данных о звёздах третьей популяции.

На сцену выходят новички. Два проекта готовы взять на себя новый этап гравитационно-волновой астрометрии. Cosmic Explorer (CE), базирующийся в США, представляет собой планируемый L-образный объект, похожий на LIGO, с «рукавами», простирающимися на 40 км в поперечнике. Телескоп Эйнштейна (ET), с другой стороны, — это планируемый подземный комплекс на Сардинии, построенный в виде треугольника длиной 10 км.

Хотя новые обсерватории, как ожидается, будут очень мощными, определить, как выглядела бы черная дыра в начале Вселенной, довольно сложно. Гравитационная волна, распространявшаяся около 14 миллиардов лет назад, к моменту достижения Земли растянулась бы в 19 раз из-за расширения самой Вселенной. Это не только приводит к тому, что черные дыры кажутся более массивными, но и снижает частоту их сигнала. Например, пара черных дыр массой в 30 солнечных масс, слившихся тогда, выглядела бы для наших детекторов как гигантская двойная черная дыра массой в 1100 солнечных масс.

Это не первая статья, указывающая на это, и не первая попытка выяснить, насколько хорошо новые детекторы справятся с обнаружением этих древних слияний. Предыдущие исследования часто опирались на математическую модель, называемую матрицами Фишера, чтобы предположить, смогут ли новые телескопы определить свойства очень раннего слияния черных дыр. В новой статье, с другой стороны, была смоделирована реалистичная группа звезд типа III популяции, и использованы байесовские суперкомпьютерные симуляции для проверки того, насколько хорошо комбинация ET и CE может определить свойства слияний, произошедших более 13,54 миллиарда лет назад.

Всё сводится к частоте. Исследователи смоделировали два детектора — один, способный измерять колебания на частоте 10 Гц, и более амбициозный, способный работать на частоте до 5 Гц. Хотя разница в 5 Гц может показаться незначительной, для гравитационных волн это огромная разница. Детектор, способный работать на частоте 10 Гц, мог бы обнаружить только последние секунды «спирали» — смертельной спирали, когда две чёрные дыры фактически соприкасаются и вибрируют друг с другом, известной как «затухание». Детектор, работающий на частоте 5 Гц, с другой стороны, мог бы зафиксировать часть внутренней спирали достаточно рано, чтобы проследить несколько полных орбитальных циклов, прежде чем они столкнутся друг с другом — огромная разница с точки зрения понимания свойств этих слияний и позволяет астрономам убедиться, что они не путают эти искажённые первичные сигналы с более обыденными, расположенными поблизости чёрными дырами.

Еще одним преимуществом этих симуляций является то, что детекторы, по-видимому, способны измерять физическую массу этих древних черных дыр с точностью до 12% от их фактического физического веса. Эта функция будет чрезвычайно полезна, поскольку физики в настоящее время ведут дискуссию о том, почему сверхмассивные черные дыры вообще существовали на столь ранних этапах космической истории. Определение их точного веса поможет ученым понять, как именно они выросли до таких размеров, или же их измерения были в какой-то степени искажены.

Третья особенность моделирования заключается в том, что новый набор детекторов должен позволить точно определить местоположение этих сливающихся двойных систем с точностью до 60 квадратных градусов — по крайней мере, в 60% случаев. Сочетание этой локализации с информацией, полученной с помощью гигантских радиотелескопов, таких как Square Kilometer Array (SKA), позволит ученым связать воедино черные дыры и другие космологические особенности, такие как нейтральный водород, перемещающийся по Вселенной.

Следует признать, что весь этот потенциал для научных исследований зависит от двух еще не построенных детекторов, расположенных в совершенно разных частях света. Каждый из них представляет собой набор инженерных задач, которые еще предстоит преодолеть. Но если это удастся, у нас, как у вида, появится первое ясное окно в последние вздохи звезд, подаривших нам первый свет.