Загадочный космический гул может быть отголоском древних тёмных звёзд

Сверхнизкочастотный фон гравитационных волн, пронизывающий Вселенную, может содержать следы событий, произошедших более 13 миллиардов лет назад. Новое теоретическое исследование предполагает, что часть этого сигнала создают пары сверхмассивных чёрных дыр, далёкими предками которых были гипотетические тёмные звёзды. Работу провели физики Сохан Годла и Космин Илие из Университета Колгейт. Они попытались связать две крупные загадки современной астрономии: происхождение первых сверхмассивных чёрных дыр и источник фонового «гула» гравитационных волн, обнаруженного при многолетних наблюдениях за пульсарами.

Результаты моделирования опубликованы в журнале Physical Review D. Гравитационные волны представляют собой распространяющиеся в пространстве-времени возмущения, возникающие при движении массивных объектов. Наземные обсерватории LIGO и Virgo регистрируют сравнительно короткие и высокочастотные сигналы от слияний чёрных дыр звёздной массы и нейтронных звёзд. Однако фоновый сигнал, изученный в новом исследовании, имеет частоты порядка наногерц. Один период такой волны может продолжаться годы или даже десятилетия.

Пульсары превратились в космическую сеть детекторов

Для регистрации настолько медленных колебаний астрономы используют массивы синхронизации пульсаров, известные как PTA. Пульсары — это быстро вращающиеся нейтронные звёзды, посылающие в сторону Земли регулярные радиоимпульсы. Благодаря исключительной стабильности их иногда называют космическими часами. Проходящая гравитационная волна едва заметно растягивает и сжимает пространство, изменяя время прибытия импульсов. Наблюдая в течение многих лет за десятками пульсаров, расположенных в разных частях неба, учёные могут обнаружить общий рисунок этих отклонений.

В 2023 году сразу несколько международных научных объединений сообщили убедительные свидетельства существования стохастического гравитационно-волнового фона. Наиболее вероятным его источником считаются многочисленные пары сверхмассивных чёрных дыр, которые обращаются друг вокруг друга и постепенно сближаются после столкновений галактик. Особенно значительный вклад должны давать системы с общей массой более миллиарда масс Солнца. Однако их существование поднимает другой вопрос: откуда появились первоначальные чёрные дыры, успевшие вырасти до таких размеров?

Необычные звёзды, питаемые тёмной материей

Наблюдения космических телескопов James Webb и Chandra указывают на существование очень массивных чёрных дыр уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Обычным чёрным дырам, появившимся после гибели первых звёзд, могло не хватить времени, чтобы достичь наблюдаемых масс. Годла и Илие сравнили два возможных сценария образования более тяжёлых «зародышей». Первый предполагает прямой коллапс огромного газового облака в чёрную дыру. Второй связан со сверхмассивными тёмными звёздами. Несмотря на название, такие звёзды не обязательно были бы невидимыми. Это гипотетические первичные объекты, источником энергии которых служили бы не только термоядерные реакции, но и нагрев при аннигиляции частиц тёмной материи.

В рассматриваемом сценарии речь идёт о WIMP — пока не обнаруженных массивных частицах, способных уничтожать друг друга с выделением энергии. Дополнительный нагрев позволял бы тёмной звезде оставаться сравнительно холодной и большой, продолжая поглощать окружающий газ. Теоретически некоторые из них могли вырасти до миллионов масс Солнца, а затем сколлапсировать почти целиком, оставив после себя массивные зародыши чёрных дыр.

Потомки древних объектов могли сохраниться до наших дней

Исследователи смоделировали дальнейшую судьбу таких зародышей. Они учитывали рост чёрных дыр вместе с галактиками, свойства окружающих гало тёмной материи, частоту образования двойных систем и их последующие слияния. Согласно расчётам, если остатки сверхмассивных тёмных звёзд образовывались с плотностью порядка (10^{-3}) объекта на кубический мегапарсек, то их потомки могли создать значительную и даже преобладающую часть наблюдаемого сигнала PTA. В изученной модели чёрные дыры прямого коллапса встречались гораздо реже — около (10^{-6}) объекта на кубический мегапарсек.

Поэтому их вклад в гравитационно-волновой фон оказался заметно слабее. Важно, что речь не идёт о волнах, непосредственно возникших при гибели первых тёмных звёзд. Сигнал должны создавать их потомки — сверхмассивные чёрные дыры, которые росли миллиарды лет, образовывали пары и сближались уже на более поздних этапах истории Вселенной. Модель также позволяет установить верхний предел распространённости древних зародышей. При плотности от (10^{-2}) до (10^{-1}) объекта на кубический мегапарсек их потомки производили бы больше гравитационно-волнового фона, чем допускают наблюдения. Конкретное ограничение зависит от массы гало тёмной материи, в которых формировались первые чёрные дыры. [Исследование опубликовано в Physical Review D].

Пока это гипотеза, а не обнаружение тёмных звёзд

Авторы не утверждают, что существование тёмных звёзд доказано. Исследование показывает лишь то, что такой сценарий совместим с современными измерениями и способен объяснить значительную часть космического «гула». Результат зависит от предположений о природе тёмной материи, количестве первоначальных зародышей, скорости их роста и истории слияний галактик.

Тем не менее работа предлагает необычный способ изучения космического рассвета. Даже если сами тёмные звёзды давно исчезли и недоступны для прямого наблюдения, их далёкие потомки могли оставить измеримый след в пространстве-времени. По мере повышения точности пульсарных массивов и накопления данных телескопов James Webb и Chandra учёные смогут сравнивать разные сценарии образования первых чёрных дыр. Возможно, едва заметный гравитационный гул действительно станет способом заглянуть в эпоху, когда во Вселенной зажглись её первые необычные звёзды.

• Земные микробы могут выживать в затененных районах Луны
• Зонд «Эйнштейн» обнаружил редкую рентгеновскую вспышку и рождение мощного магнетара
• SpaceX установила рекорд, запустив две ракеты Falcon 9 с интервалом всего 38 минут
• Солнечное затмение и Персеиды совпадут: август 2026 года подарит сразу несколько небесных событий
• Космический аппарат NASA «Психея» пролетел мимо Марса и проверил научные приборы
• Учёные определили минимальный размер планеты, способной долго сохранять атмосферу
• SpaceX запустила на орбиту робота для продления жизни старых спутников
• Ученые создали космическую пыль в лаборатории и приблизились к разгадке происхождения жизни