Первые звезды появились через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Астрономы называют их звездами населения III, или Pop III. Они сформировались почти исключительно из водорода и гелия, были в десятки и сотни раз массивнее Солнца и быстро завершали жизнь, нередко превращаясь в первые черные дыры.
Часть этих черных дыр могла образовывать двойные системы и со временем сливаться, создавая гравитационные волны. Как пишет Universe Today, изучить такие древние события помогут новые обсерватории гравитационных волн. Действующие установки LIGO, Virgo и KAGRA уже зарегистрировали около 400 событий, однако из-за ограничений по частотам они способны заглянуть лишь примерно на восемь миллиардов лет в прошлое.
Следующее поколение детекторов представят проекты Cosmic Explorer и Einstein Telescope. Первый планируют построить в США в форме буквы L с плечами длиной до 40 километров. Второй должен разместиться под землей на Сардинии и будет иметь треугольную конфигурацию со сторонами около 10 километров.
Сигналы от черных дыр ранней Вселенной будет непросто распознать. За почти 14 миллиардов лет распространения гравитационная волна растягивается из-за расширения Вселенной примерно в 19 раз. Поэтому черные дыры выглядят для наблюдателя более массивными, а частота сигнала снижается: например, слияние двух объектов массой по 30 Солнц может восприниматься как столкновение черных дыр общей массой около 1100 Солнц.
Исследователи под руководством астрофизика Н. В. Кришненду из Бирмингемского университета смоделировали реалистичную популяцию звезд населения III и провели байесовские расчеты на суперкомпьютере. Они проверили, насколько совместная работа Einstein Telescope и Cosmic Explorer позволит изучать слияния, произошедшие более 13,54 миллиарда лет назад. Детектор с нижней границей 10 герц сможет фиксировать лишь последние секунды сближения, тогда как установка, работающая от 5 герц, позволит проследить несколько орбит до столкновения.
Согласно расчетам, новые обсерватории смогут определять физическую массу древних черных дыр с точностью примерно до 12%. Кроме того, в 60% случаев место слияния удастся установить в пределах около 60 квадратных градусов. Эти данные планируют сопоставлять с наблюдениями крупных радиотелескопов, включая Square Kilometre Array, чтобы изучать связь черных дыр с другими структурами Вселенной.