Ученые нашли способ найти черные дыры первых звезд

Будущие гравитационно-волновые обсерватории «Телескоп Эйнштейна» и «Космический исследователь» смогут фиксировать слияния черных дыр, оставшихся после гибели первых звезд во Вселенной. Об этом 9 сентября сообщил Phys.org со ссылкой на исследование ученых Бирмингемского университета.

Первые звезды возникли через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Этот этап астрономы называют космическим рассветом. Такие светила относят к населению III: они почти полностью состояли из водорода и гелия, поскольку тяжелых химических элементов в молодой Вселенной тогда почти не было.

По современным представлениям, первые звезды могли быть намного массивнее Солнца и жили сравнительно недолго. В конце эволюции многие из них сжимались и превращались в одни из самых ранних черных дыр. Некоторые такие объекты могли входить в двойные системы, постепенно сближаться и затем сливаться.

При слиянии черных дыр возникают гравитационные волны — возмущения пространства-времени. Они могут нести к Земле сведения об объектах, существовавших более 13,5 миллиарда лет назад. Однако нынешним обсерваториям пока не хватает чувствительности, чтобы уверенно регистрировать настолько далекие сигналы.

Самые удаленные слияния, которые фиксировала сеть ЛИГО, «Вирго» и КАГРА, относятся примерно к красному смещению z = 1,1. Это соответствует расстоянию около 8 миллиардов парсек. Чтобы изучать остатки первых звезд, нужны наблюдения событий с красным смещением z = 15 и выше.

Авторы работы смоделировали возможности будущей сети из «Телескопа Эйнштейна» и «Космического исследователя». Они оценили, насколько точно такие приборы смогут определять расстояние, массу, вращение и положение на небе для черных дыр, существовавших в первые 180–270 миллионов лет после Большого взрыва.

Одна из ключевых трудностей связана с расширением Вселенной. Пока гравитационная волна движется к Земле, ее длина увеличивается, а частота уменьшается. Из-за этого масса источника в данных детектора выглядит больше настоящей.

Например, система из двух черных дыр массой около 30 солнечных масс каждая может восприниматься земным прибором как двойная система общей массой примерно 1,1 тысячи солнечных масс. Если расстояние не определить точно, такой источник можно принять за более массивный, но гораздо более близкий объект.

Чтобы решить эту задачу, исследователи использовали байесовский анализ. Этот метод позволяет оценивать вероятные свойства источника с учетом неопределенности измерений. В модель включили тысячу двойных систем, параметры которых соответствовали нынешним представлениям об остатках звезд населения III.

Расчеты проводились для сети из трех детекторов: одного «Телескопа Эйнштейна» с треугольной конфигурацией и двух установок «Космический исследователь» с плечами длиной 20 и 40 километров. Это модельное расположение, а не окончательный план строительства. Место для «Телескопа Эйнштейна» пока не выбрано: среди вариантов рассматриваются Сардиния, район на границе Бельгии, Германии и Нидерландов, а также Лужица в Германии.

Отдельно ученые изучили нижнюю границу чувствительности будущих приборов. Они сравнили два варианта: более осторожный, при котором детекторы видят сигналы от 10 герц, и более оптимистичный — от 5 герц.

Разница в 5 герц оказалась важной. При нижней границе 10 герц прибор регистрирует в основном последние моменты слияния и дальнейшее затухание колебаний новой черной дыры. Значительная часть сближения объектов при этом остается вне доступного диапазона.

Чувствительность от 5 герц позволяет увидеть больше последних оборотов черных дыр вокруг общего центра масс. Чем дольше сигнал доступен для анализа, тем точнее можно восстановить параметры его источника.

При одинаковых строгих условиях отбора в модельном каталоге конфигурация от 5 герц выявила 395 систем, а вариант от 10 герц — 175. Поэтому доступ к диапазону 5–10 герц увеличил число достаточно сильных сигналов примерно в 2,3 раза.

Самый удаленный смоделированный источник находился при красном смещении z = 19,8. В конфигурации от 5 герц исследователи с вероятностью 90 процентов смогли установить, что он расположен дальше z = 18,5. Для варианта от 10 герц нижняя граница составила около z = 17,5.

По расчетам, будущая сеть сможет определять массу отдельных черных дыр со средней погрешностью примерно 11–13 процентов. Такие данные помогут сравнивать наблюдаемые объекты с моделями эволюции первых звезд.

Эти измерения также важны для вопроса о происхождении сверхмассивных черных дыр. Астрономы уже обнаруживают такие объекты в очень ранней Вселенной, но пока не ясно, как они успели набрать миллионы и миллиарды солнечных масс за относительно короткое время.

По одной из версий, началом их роста могли стать сравнительно легкие черные дыры, оставшиеся после гибели звезд населения III. Другие сценарии допускают появление более массивных зародышей в плотных звездных скоплениях или при прямом коллапсе крупных газовых облаков. Сведения о массах древнейших черных дыр и частоте их слияний помогут проверить эти гипотезы.

Примерно в 60 процентах смоделированных случаев сеть смогла ограничить возможное положение источника областью не более 60 квадратных градусов. Это все еще большой участок неба, однако его можно будет сопоставлять с наблюдениями других инструментов, включая радиотелескоп «Квадратный километровый массив» и космическую обсерваторию имени Джеймса Уэбба.

При этом параметры вращения черных дыр восстановить оказалось намного труднее. Даже улучшенная чувствительность на низких частотах не позволила надежно определить прецессию — изменение ориентации оси вращения двойной системы. Это остается серьезным ограничением, поскольку именно вращение могло бы помочь отличить остатки первых звезд от черных дыр иного происхождения.