Гравитационные волны раскрыли тайну первых сверхмассивных черных дыр: новое исследование

В своем новом исследовании специалисты Университета Колгейта Сохан Ходла и Космин Илие выяснили, могли ли сверхмассивные черные дыры, которые формировались в ранней Вселенной, внести существенный вклад в фон гравитационных волн, который сегодня регистрируют пульсарные временные массивы (PTA).

РТА используют быстро вращающиеся нейтронные звезды — пульсары — в качестве исключительно точных космических часов. Проходящие гравитационные волны незначительно изменяют время прихода радиоимпульсов на Землю. Наблюдая за множеством пульсаров на протяжении многих лет, научные коллаборации по всему миру обнаружили свидетельства стохастического фона гравитационных волн на наногерцевых частотах.

Основным астрофизическим объяснением этого явления считается космическая популяция сближающихся пар сверхмассивных черных дыр с совокупной массой более миллиарда солнечных масс. Однако возникает вопрос: откуда взялись первоначальные «семена» таких огромных черных дыр? Наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба и обсерватории Chandra выявили массивные черные дыры удивительно рано в космической истории, что усилило интерес к механизмам быстрого формирования массивных зародышей черных дыр.

Ученые рассмотрели два сценария раннего формирования черных дыр: прямой коллапс и коллапс сверхмассивных Темных Звезд. Темные Звезды — это гипотетический тип первичных звезд, основным источником энергии которых является нагрев, связанный с темной материей, а не обычный термоядерный синтез. В рамках рассматриваемого сценария с WIMP-частицами темной материи, Темные Звезды могут оставаться относительно холодными и протяженными, продолжая аккрецировать вещество и достигая масс в миллион солнечных масс или больше, прежде чем коллапсировать в массивные черные дыры.

«Пульсарные временные массивы обычно рассматриваются как инструмент изучения пар сверхмассивных черных дыр в относительно недавней Вселенной, — говорит Илие. — Наша работа показывает, что их сигнал также может содержать информацию о том, как предки этих черных дыр формировались на заре существования космоса».

Исследование показало, что если плотность остатков сверхмассивных Темных Звезд составляет порядка 10⁻³ на кубический мегапарсек, их потомки могут вносить основной вклад в наблюдаемый PTA-сигнал. Ключевой вывод работы заключается в том, что существующие измерения PTA можно использовать для определения верхнего предела количества ранних зародышей сверхмассивных черных дыр. Это дает ученым новый способ проверки теорий происхождения первых сверхмассивных черных дыр во Вселенной.

Ранее черная дыра разорвала на части «сверхсолнце», устроив мощнейший взрыв.