Тот слабый космический гул, который вы слышите? Возможно, это не холодильник Вселенной. Новое исследование предполагает, что гравитационно-волновой фон, обнаруженный с помощью тайминговых массивов пульсаров, может быть призрачным эхом сверхмассивных черных дыр, сформировавшихся более 13 миллиардов лет назад — возможно, в результате коллапса гипотетических «темных звезд», питаемых темной материей.
В исследовании, опубликованном в виде письма в Physical Review D, исследователи из Колгейтского университета Сохан Годла и Космин Или проверили, могли ли сверхмассивные черные дыры, рожденные в ранней Вселенной, оставить неизгладимый след в гравитационных волнах, которые мы обнаруживаем сегодня. Связь? Удивительно массивные черные дыры, наблюдаемые в молодой Вселенной, и гравитационные волны, генерируемые миллиарды лет спустя, когда пары этих гигантов сближаются по спирали.
Команда обнаружила, что один из возможных классов ранних зародышей черных дыр — остатки сверхмассивных темных звезд — потенциально может доминировать в сигнале тайминговых массивов пульсаров (PTA). Как выразился Или: «Тайминговые массивы пульсаров обычно рассматриваются как зонды сверхмассивных двойных черных дыр в относительно недавней Вселенной. Наша работа показывает, что сигнал может также содержать информацию о том, как предки этих черных дыр сформировались на космическом рассвете».
Для тех, кто не владеет пульсарным языком: тайминговые массивы пульсаров используют быстро вращающиеся нейтронные звезды в качестве космических часов. Когда гравитационные волны проходят сквозь них, они незаметно изменяют время прихода радиоимпульсов на Землю. Отслеживая множество пульсаров, команды обнаружили свидетельства стохастического гравитационно-волнового фона на наногерцовых частотах — вероятно, от двойных сверхмассивных черных дыр, особенно с суммарной массой более миллиарда солнечных масс.
Но как эти черные дыры стали такими большими так быстро? Вот тут и появляются темные звезды. Эти гипотетические первичные звезды питались бы нагревом темной материи, а не ядерным синтезом, что позволяло бы им вырастать до миллиона солнечных масс и более, прежде чем коллапсировать в черные дыры. Годла и Или смоделировали, как такие зародыши эволюционируют, сливаются и производят гравитационные волны.
Их вывод? Если остатки темных звезд существуют с плотностью примерно 10^-3 Мпк^-3, их потомки могут вносить большой, возможно, доминирующий вклад в сигнал PTA. Напротив, черные дыры прямого коллапса с плотностью около 10^-6 Мпк^-3 вносили бы гораздо меньший вклад.
Исследование также подчеркивает интересный поворот: наблюдения PTA могут ограничить распространенность этих ранних зародышей. «Произведите слишком много этих массивных зародышей — и вы перепроизведете сигнал, обнаруженный PTA. Произведите слишком мало — и вам понадобятся другие источники для эффективной сборки этих сверхмассивных черных дыр позже», — сказал Годла. Плотности зародышей около 10^-2 до 10^-1 Мпк^-3 превысили бы наблюдаемые пределы, в зависимости от масс гало.
Это дает PTA неожиданную способность исследовать популяции на красных смещениях больше 10 — древние объекты, чьи потомки создают волны, которые мы видим сегодня. Расчеты также подтверждают, что двойные системы с общей массой черных дыр выше примерно 10^9 солнечных масс доминируют в сигнале.
Так что в следующий раз, когда вы услышите этот космический гул, помните: возможно, это гравитационно-волновой отпечаток первых сверхмассивных черных дыр Вселенной, рожденных из звезд, питаемых темной материей. Кто знал, что у Вселенной такое драматическое происхождение?