Слабый фон гравитационных волн крайне низкой частоты, который фиксируют сети пульсаров, может хранить сведения о событиях более чем 13 млрд лет назад. Речь идет в том числе о появлении первых сверхмассивных черных дыр во Вселенной. К такому выводу пришли исследователи Колгейтского университета Сохан Годла и Космин Илие.
Ученые изучили, могли ли сверхмассивные черные дыры ранней Вселенной стать заметным источником гравитационно-волнового фона, который измеряют массивы синхронизации пульсаров. По их оценке, значительную, а возможно и основную часть сигнала способны давать потомки черных дыр, возникших после коллапса гипотетических сверхмассивных темных звезд. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review D.
Массивы синхронизации используют быстро вращающиеся нейтронные звезды — пульсары, работающие как точные космические часы. Проходящие гравитационные волны слегка меняют время прихода их радиосигналов на Землю. Наблюдения множества пульсаров позволили международным группам получить свидетельства существования стохастического гравитационно-волнового фона на наногерцовых частотах.
Наиболее распространенное объяснение этого фона связано с парами сверхмассивных черных дыр, которые постепенно сближаются и сливаются. Особенно важны для наблюдаемого диапазона системы с общей массой свыше примерно 1 млрд масс Солнца. При этом телескопы James Webb и Chandra уже обнаружили массивные черные дыры на ранних этапах истории Вселенной, что усилило интерес к механизмам быстрого формирования крупных зародышей таких объектов.
Авторы рассмотрели 2 варианта появления массивных зародышей: прямой коллапс и образование черных дыр после разрушения сверхмассивных темных звезд. Такие звезды пока остаются гипотетическими объектами, энергия которых могла поступать главным образом из-за процессов, связанных с темной материей, а не обычного термоядерного синтеза. При подходящих условиях они могли набрать массу в 1 млн солнечных масс и более, после чего превратиться в массивные черные дыры.
Расчеты показали, что при плотности остатков сверхмассивных темных звезд около 10-3 Мпк-3 их потомки могли бы обеспечить большую долю сигнала, зарегистрированного массивами пульсаров. Черные дыры прямого коллапса, согласно рассмотренной модели, встречались значительно реже — с плотностью около 10-6 Мпк-3 — и давали бы меньший вклад. При слишком большом числе ранних массивных зародышей расчетный гравитационно-волновой фон превысил бы допустимый по наблюдениям уровень.
