Пульсары — это удивительно точные космические часы, которые могут регистрировать незначительные изменения в своём положении благодаря эффекту Доплера. С их помощью было доказано существование гравитационных волн ещё до их непосредственного наблюдения. Это дало старт идее создания пулсарного временного массива (Pulsar Timing Array, PTA), который предполагает наблюдение за многими пульсарами с целью изучения гравитационных волн на космологическом масштабе.
Пулсарные временные массивы и их значение
Известным примером PTA является проект NANOGrav, который в течение 15 лет следил за 67 пульсарами. Целью NANOGrav было найти доказательства ранней космической инфляции — теории, объясняющей многие загадки космологии. По предположениям, стремительная инфляция вселенной в момент вскоре после Большого взрыва должна была породить уникальный фоновый уровень гравитационных волн, схожий с космическим микроволновым фоном, оставшимся от самого Большого взрыва. Однако наблюдения NANOGrav зафиксировали гравитационные волны, над которыми доминировали волны от сверхмассивных чёрных дыр. Это говорит о том, что шум фона, вероятно, слишком велик, чтобы обнаружить гравитационные волны, относящиеся к инфляции.
Новые данные о сверхмассивных чёрных дырах
Недавнее исследование сосредоточено на гравитационных волнах и том, что они могут рассказать о сверхмассивных объектах в ранней вселенной. Одним из открытий последних лет является то, что сверхмассивные чёрные дыры существовали значительно раньше, чем считалось ранее. Вопрос, как они могли сформироваться так быстро, остаётся открытым, но предложены несколько моделей.
Первая из них связана с так называемыми черными дырами прямого коллапса (Direct Collapse Black Holes, DCBHs), которые формировались не из остатков массивных звёзд, а непосредственно из коллапса крупных облаков водорода и гелия. Это означает, что они могли появиться практически одновременно с первыми звёздами, быстро достигая сверхмассивного размера в плотных областях ранней вселенной.
Вторая, более спекулятивная модель — сверхмассивные тёмные звёзды (Supermassive Dark Stars, SMDSs). В этой модели тёмная материя и обычная материя образуют огромные плотные облака. Если тёмная материя способна взаимодействовать с собой и вырабатывать тепло и свет, то такие облака могли бы светиться не в результате термоядерного синтеза, а в ходе распада тёмной материи. Их масса могла превышать миллион солнечных, и они светились бы как звезды голубых гигантов до коллапса в сверхмассивную чёрную дыру.
Вероятности и возможные открытия
Анализируя типы и интенсивности гравитационных волн от DCBHs и SMDSs, исследователи пришли к интересным выводам. Например, наблюдения гравитационных волн устанавливают верхнюю границу на количество DCBHs, поскольку, если бы таких объектов было больше одной на 10 кубических мегапарсек, полученный сигнал был бы значительно сильнее наблюдаемого. Однако предполагается, что DCBHs встречаются довольно редко — возможно, одна на миллион кубических мегапарсек, что не достигает наблюдаемого лимита.
Сверхмассивные тёмные звёзды, напротив, могут оказаться довольно распространёнными, если они действительно существовали. В этом случае гравитационные волны, порождаемые SMDSs, могли бы быть основным источником, получаемым с учётом текущих наблюдений. Однако это не является доказательством существования таких объектов, а лишь указывает на возможность их существования.
Пулсарные временные массивы уже помогают исследовать космический фоновый уровень гравитационных волн. Если не удастся подтвердить теорию ранней космической инфляции, возможно, они раскроют некоторые странные особенности тёмной материи.
Мнение SpaceDiscover
Гравитационные волны остаются удивительным инструментом для нашего понимания Вселенной. Если предположения о сверхмассивных тёмных звёздах окажутся верными, это изменит наше представление о процессах, происходивших в ранней вселенной. Научные исследования в этой области могут предоставлять ключи к раскрытию многих тайн космологии и сделать значительные шаги к пониманию природы тёмной материи и истории Вселенной.
Не забудьте подписаться на наши каналы Дзен, Telegram и ВК.
Мы всегда рады видеть вас среди наших читателей и подписчиков SpaceDiscover!
