Гравитационный фон: темные звезды как источник сигнала

Происхождение сверхмассивных черных дыр (СМЧД), расположенных в центрах большинства крупных галактик, остается одной из главных загадок астрофизики. Особенно интригуют объекты, которые существовали уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Наблюдения космической обсерватории «Джеймс Уэбб» выявили несколько таких черных дыр, масса которых не согласуется с предсказаниями стандартных моделей.

Ученые ищут возможные «зародыши» этих гигантов — объекты, которые могли бы быть значительно массивнее, чем допускают классические сценарии. Один из кандидатов — так называемые темные звезды. Это гипотетические светила, которые могли формироваться в ранней Вселенной внутри небольших скоплений темной материи. В отличие от обычных звезд, их энергия выделялась бы в основном за счет аннигиляции частиц темной материи, что позволяло бы им оставаться большими и набирать массу вплоть до миллионов солнечных масс.

Моделирование эволюции ранних черных дыр

Авторы новой работы, опубликованной в журнале Physical Review D, решили проверить, можно ли обнаружить следы такого сценария спустя миллиарды лет. Они построили модель эволюции черных дыр, которые могли образоваться из темных звезд. Сначала задали количество таких объектов в первые 100–500 миллионов лет после Большого взрыва, затем проследили, как они росли вместе с гало темной материи, поглощая окружающее вещество.

Следующим шагом стало моделирование слияний. Когда галактики сталкиваются, центральные черные дыры со временем могут образовать двойную систему и слиться, порождая гравитационные волны — колебания пространства-времени. Если таких пар много, их суммарный сигнал складывается в общий гравитационно-волновой фон, который сегодня ученые пытаются обнаружить с помощью метода, основанного на наблюдении пульсаров (PTA).

Сравнение с наблюдениями

Расчеты показали, что если темные звезды возникали достаточно часто, то черные дыры, образовавшиеся после их коллапса, могли стать заметным источником гравитационных волн. При определенных условиях их потомки — сверхмассивные черные дыры — могли дать значительную часть наблюдаемого фонового сигнала и даже стать его главным источником. Особенно большой вклад, согласно модели, вносили бы пары черных дыр общей массой более миллиарда масс Солнца.

Интересно, что альтернативный сценарий — прямой коллапс больших газовых облаков — дал гораздо более слабый результат. Такие черные дыры, по расчетам, возникали слишком редко, чтобы заметно повлиять на наблюдаемый гравитационный фон.

Авторы подчеркивают, что их работа не доказывает существования темных звезд и не подтверждает их как единственный источник сигнала. Сам сценарий остается гипотетическим, поскольку предполагает, что темная материя состоит из вимпов — частиц, существование которых пока не подтверждено. Тем не менее темные звезды — один из возможных вариантов объяснения того, как сверхмассивные черные дыры успели вырасти до огромных размеров в ранней Вселенной. Другие исследователи рассматривают и иные сценарии, включая прямой коллапс газовых облаков или черные дыры, возникшие из первых звезд.

Работа открывает новые возможности для проверки гипотез о природе темной материи и ранней Вселенной. Дальнейшие наблюдения гравитационно-волнового фона, а также данные телескопов, таких как «Джеймс Уэбб», помогут сузить круг возможных объяснений.