Темні зорі могли залишити слід у гравітаційно-хвильовому фоні Всесвіту

Пульсарні таймінгові масиви (PTA) — мережі радіотелескопів, які роками відстежують крихітні зміни моментів приходу імпульсів від мілісекундних пульсарів — повідомили про низькочастотний спільний сигнал із кореляційною картиною, очікуваною від гравітаційно-хвильового фону. Провідне астрофізичне пояснення — сукупне випромінювання від космічної популяції подвійних систем надмасивних чорних дір, що спіралеподібно зближуються, хоча інші джерела також залишаються можливими.

Сохан Годла та Космін Іліє розглянули цей сигнал як своєрідний можливий «літопис» формування зародків чорних дір у ранньому Всесвіті. Їхня модель простежує, як об’єкти, що виникли на великих червоних зміщеннях, ростуть разом із галактичними гало, збираються в чорні діри та згодом беруть участь у злиттях. Після цього дослідники обчислюють наногерцовий фон, який створюють масивні подвійні системи.

Ключове питання полягає не в тому, чи можуть PTA безпосередньо побачити темну зорю. Вони цього не роблять. Натомість виміряний сьогодні сигнал дає змогу перевірити, чи сумісні кількість і властивості чорних дір, які могли залишитися після колапсу темних зір, із сучасними спостереженнями.

Як темна зоря могла стати чорною дірою

У розглянутому сценарії темна зоря — це розширений об’єкт із водню та гелію, який живиться переважно енергією анігіляції частинок темної матерії, а не ядерним синтезом. Якщо така зоря продовжує поглинати газ, вона за сприятливих умов може вирости приблизно до мільйона мас Сонця або навіть більше, перш ніж колапсувати в масивний зародок чорної діри.

Такий зародок не створює сигнал PTA одразу. Спочатку він росте в межах свого гало. Коли гало зливаються, чорні діри можуть зближуватися, утворюючи подвійні системи. Сукупне випромінювання величезної кількості таких систем і формує стохастичний фон у наногерцовому діапазоні — саме в діапазоні, до якого чутливі багаторічні спостереження за пульсарами.

Отже, зв’язок між темними зорями та сучасним гравітаційним сигналом є непрямим, але важливим: вимірювання у наш час може зберігати інформацію про канал формування чорних дір на космічному світанку.

Чому важлива межа в мільйон мас Сонця

Сценарій темних зір стає особливо цікавим, коли вони досягають приблизно 10⁶ мас Сонця або перевищують цю межу. Їхній колапс може створити значно важчий стартовий об’єкт, ніж у сценаріях із «легкими» зародками чорних дір. Якщо таких залишків утворилося достатньо багато і згодом вони брали участь у злиттях, прогнозований гравітаційно-хвильовий фон для PTA може істотно зрости.

Однак це умовний результат моделі. Він не доводить, що надмасивні темні зорі справді існували, і не показує, що сигнал PTA однозначно походить від їхніх залишків. Висновок скромніший: достатньо численна популяція дуже масивних темних зір могла залишити після себе чорні діри, здатні зробити вагомий внесок у спостережуваний сигнал.

Темні зорі проти чорних дір прямого колапсу

Годла та Іліє порівняли залишки темних зір із чорними дірами прямого колапсу (DCBH) — іншим запропонованим механізмом утворення важких зародків у ранньому Всесвіті. У моделі, яку підсумовує дослідження, комовингова густина залишків темних зір на рівні близько 10⁻³ Mpc⁻³ може забезпечити значну, потенційно домінантну частку PTA-фону. Канал DCBH за значно нижчої густини зародків, використаної для порівняння, дає лише незначний або підпорядкований внесок.

Різниця пов’язана з умовами формування. Для прямого колапсу зазвичай потрібні рідкісні середовища: майже незайманий газ у масивному гало, який стискається без фрагментації, а також інтенсивне ультрафіолетове випромінювання від сусіднього регіону з активним зореутворенням. Воно пригнічує охолодження молекулярного водню, необхідне для звичайного дроблення газової хмари.

Сценарій темних зір у цій моделі допускає численнішу популяцію, якщо ізольовані мінігало трапляються достатньо часто, а зорі можуть продовжувати акрецію до надмасштабів. Тому саме кількість зародків виявляється не менш важливою, ніж їхня індивідуальна маса: численніші залишки темних зір можуть створити більший пізній фон від злиттів, ніж рідкісний канал важких зародків DCBH.

Це не виключає чорні діри прямого колапсу. Це лише означає, що за припущеннями дослідження темні зорі можуть мати сильніший сумарний ефект, якщо їхня популяція була достатньо численною.

Які обмеження дають спостереження PTA

Та сама модель встановлює верхню межу для густоти ранніх зародків. У використаній авторами системі густини приблизно 10⁻²–10⁻¹ Mpc⁻³ створили б надто велику енергію гравітаційних хвиль порівняно зі спостережуваним PTA-фоном. Отже, за припущення, що сигнал переважно породжують подвійні системи надмасивних чорних дір, дані не підтримують популяції зародків у цьому діапазоні.

Це обмеження стосується популяції, а не є прямим переписом темних зір. Його точність залежить від припущень щодо формування зародків, акреції, історії злиття гало, утворення та еволюції подвійних систем, а також від самої інтерпретації сигналу PTA. Пульсарні таймінгові масиви виявляють або обмежують гравітаційно-хвильовий фон, а не розрізняють окремі первісні зорі.

Новий спосіб досліджувати космічний світанок

Ширше значення роботи полягає в тому, що гравітаційно-хвильова астрономія може досліджувати об’єкти, які давно зникли. Електромагнітні спостереження, зокрема за допомогою космічних телескопів, можуть шукати незвично яскраві або масивні об’єкти на великих червоних зміщеннях. PTA натомість вивчають пізнішу історію злиттів чорних дір, які ці об’єкти могли породити.

Якщо майбутні вимірювання PTA уточнять амплітуду й спектр фону, а пояснення через подвійні надмасивні чорні діри залишатиметься найпереконливішим, ці дані допоможуть порівняти залишки темних зір, DCBH та інші канали утворення ранніх зародків.

Таким чином, дослідження прокладає міст між фізикою космічного світанку та сучасними наногерцовими спостереженнями. Гравітаційно-хвильовий фон може зберігати відбиток того, як виникли перші масивні чорні діри, навіть якщо самі темні зорі вже давно перестали бути видимими.