Массивы наблюдений за пульсарами помогают изучать гравитационные волны на космических масштабах. Пульсары отличаются высокой точностью сигналов, поэтому изменения их положения можно фиксировать по эффекту Доплера. Проект NANOGrav в течение 15 лет наблюдал 67 пульсаров и обнаружил космический фон гравитационных волн.
Сигнал, который зарегистрировал NANOGrav, в основном связывают со сверхмассивными черными дырами. Из-за этого фона может быть трудно выделить гравитационные волны, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва. Новое исследование, опубликованное в Physical Review D, посвящено тому, что такие волны могут рассказать о формировании сверхмассивных объектов в ранней Вселенной.
Ученые рассмотрели два возможных сценария появления сверхмассивных черных дыр. Первый предполагает существование черных дыр прямого коллапса, которые возникали не после гибели звезд, а при сжатии огромных облаков водорода и гелия. В плотных областях молодой Вселенной такие объекты могли быстро увеличиваться до сверхмассивных размеров.
Вторая гипотеза связана со сверхмассивными темными звездами. Согласно этой модели, обычное и темное вещество могли собираться в чрезвычайно плотные облака, а их свечение обеспечивалось бы распадом темной материи, а не термоядерными реакциями. Масса подобных объектов могла превышать массу Солнца более чем в миллион раз, после чего они могли превращаться в сверхмассивные черные дыры.
Расчеты показали, что число черных дыр прямого коллапса ограничено уже имеющимися наблюдениями гравитационных волн. Если бы на каждые 10 кубических мегапарсек приходилось более одной такой черной дыры, сигнал оказался бы сильнее зарегистрированного. При этом предполагается, что подобные объекты были редкими — примерно один на миллион кубических мегапарсек.
Сверхмассивные темные звезды, если они существовали, могли быть значительно более распространенными и стать главным источником наблюдаемого гравитационно-волнового фона. Это не подтверждает их существование, но допускает такую возможность. Наблюдения за пульсарами могут помочь уточнить свойства темной материи и ранней Вселенной.