«Тёмные звёзды» могли дать начало первым сверхмассивным чёрным дырам
Учёные предложили связать низкочастотный фон гравитационных волн с коллапсом гипотетических «тёмных звёзд» в ранней Вселенной. Их остатки могли стать массивными зародышами сверхмассивных чёрных дыр.
Низкочастотный фон гравитационных волн, обнаруженный с помощью массивов тайминга пульсаров в 2023 году, может нести следы формирования первых сверхмассивных чёрных дыр. К такому выводу пришли Космин Илие и Сохан Гходла из Колгейтского университета, рассмотревшие сценарий с гипотетическими «тёмными звёздами».
Массивы тайминга пульсаров фиксируют крайне малые изменения времени прихода излучения от пульсаров. Их вызывают проходящие гравитационные волны, растягивающие и сжимающие пространство-время. Обычно наблюдаемый фон таких волн связывают с эволюцией двойных сверхмассивных чёрных дыр, сближающихся перед слиянием.
Однако эта интерпретация не отвечает на вопрос, как сверхмассивные чёрные дыры успели вырасти в эпоху, когда возраст Вселенной был меньше миллиарда лет. По приведённой в работе оценке, цепочки аккреции и слияний, которые должны формировать такие объекты, занимают более миллиарда лет. При этом космический телескоп James Webb уже наблюдает сверхмассивные чёрные дыры в очень ранней Вселенной.
Авторы предложили, что рост мог начаться с необычно тяжёлых зародышей. «Тёмные звёзды» в этой гипотезе — первичные объекты, источником энергии которых служит самоаннигиляция тёмной материи в ядре, а не термоядерные реакции. Предполагается, что из-за сравнительно низкой температуры они могли долго накапливать вещество, достичь массы в миллионы солнечных масс, а затем коллапсировать в массивные чёрные дыры.
Исследователи смоделировали среду, в которой такие зародыши чёрных дыр могли бы сливаться, и оценили их вклад в гравитационно-волновой фон. Согласно расчётам, остатки сверхмассивных «тёмных звёзд» способны обеспечить значительную, а возможно и преобладающую часть сигнала, зарегистрированного массивами тайминга пульсаров.
В этой модели измерения могут ограничить число тяжёлых зародышей чёрных дыр в ранней Вселенной. Если их было слишком много, расчётный сигнал окажется сильнее наблюдаемого; если слишком мало, потребуются другие эффективные механизмы последующей сборки сверхмассивных чёрных дыр, чтобы согласовать модель с наблюдениями массивов тайминга пульсаров. Проверка сценария потребует более точных наблюдений гравитационно-волнового фона и лучшего понимания ранних популяций чёрных дыр.