Новая модель указывает, что ранняя Вселенная была полна массивных черных дыр

С тех пор как в 2015 году впервые были обнаружены гравитационные волны, предсказанные Эйнштейном, астрофизики размышляли о фоне гравитационных волн — кумулятивных колебаниях этих космических волн при их движении по Вселенной.

Теперь один из астрофизиков, занимающийся поиском этого фона, разработал модель для обнаружения древних сверхмассивных черных дыр, что может помочь объяснить, как образуются и эволюционируют черные дыры.

Черные дыры — массивные, плотные объекты с такой интенсивной гравитацией, что свет или любая материя не могут вырваться при пересечении горизонта событий. И в космическом масштабе они встречаются довольно часто. Одно из последних исследований оценило, что в наблюдаемой Вселенной насчитывается 40 квинтиллионов черных дыр, но то, как они растут до сверхмассивных черных дыр, остается загадкой.

В этом деле может помочь фон гравитационных волн. Когда черные дыры и другие массивные объекты, такие как нейтронные звезды, взаимодействуют, они "колеблют космическую лодку" и генерируют гравитационные волны, которые распространяются по всей Вселенной.

Эти волны регистрируются на Земле в обсерваториях, таких как Обсерватория гравитационных волн с использованием лазерного интерферометра (LIGO), которая обнаруживает эти почти незаметные колебания с помощью зеркал и лазерных лучей. Совместный проект LIGO-Virgo-KAGRA возобновил работу в прошлом месяце с улучшенной чувствительностью.

У нас есть очень хорошие измерения масс сверхмассивных черных дыр для нашей собственной галактики и для близлежащих галактик. У нас нет таких же измерений для более далеких галактик. Нам просто приходится строить догадки.

— Джозеф Саймон, астрофизик из Университета Колорадо в Боулдере

В недавнем исследовании Саймон рассчитал приблизительные массы черных дыр для крупнейших галактик Вселенной и смоделировал фон гравитационных волн, который могли создать эти галактики.

Модель предсказала наличие большего количества крупных галактик миллиарды лет назад, чем в более ранних исследованиях, указывая на то, что древние черные дыры могли расти быстрее, чем ожидалось ранее.

Для того чтобы поддерживать такие крупные галактики, эти черные дыры должны были быть очень массивными, что изменит то, как астрофизики думают об эволюции черных дыр. Однако результат был получен на основе модели, поэтому реальные наблюдения помогут прояснить ситуацию.

Таинственной загадкой эволюции черных дыр является отсутствие черных дыр средней массы. Черные дыры звездной массы регулярно обнаруживаются, и сверхмассивные черные дыры (в миллиарды раз превосходящие массу нашего Солнца) таится в центрах галактик, но черные дыры средней массы гораздо более таинственны.

Сверхмассивность — это не максимум для черных дыр. Сверхмассивная черная дыра в центре нашей Млечного Пути, Стрелец A*, в четыре миллиона раз превосходит массу нашего Солнца. Но ранее в этом году астрофизики обнаружили черную дыру в 30 миллиардов раз превосходящую массу Солнца, классифицируя ее как "ультрамассивную" черную дыру; то есть, более чем в 10 миллиардов раз превосходящую массу нашего Солнца, согласно данным NASA.

Учитывая огромное количество черных дыр в наблюдаемой Вселенной, но существующую пропасть между маленькими телами и очень, очень большими, точное измерение масс древних сверхмассивных черных дыр могло бы помочь объяснить, как эти загадочные объекты растут.

Мы начинаем видеть из различных источников, что во Вселенной с самого начала были довольно массивные объекты.

Поиск гравитационных волн проводится путем измерения света от пульсаров. Пульсары мерцают во время вращения, что позволяет астрономам использовать их в качестве космических маяков (чтобы продолжить аналогию с океаном гравитационных волн). Когда свет от пульсаров приходит на земные детекторы в отличное от ожидаемого времени, это указывает на то, что возмущения в пространстве-времени изменили тайминг.

В 2021 году NANOGrav объявила об обнаружении сигнала, который выглядел как фон гравитационных волн, для этого ученые изучили массив 12-летних данных по таймингу пульсаров.

Планируемая космическая обсерватория под названием LISA недавно прошла первую фазу своего жизненного цикла, что означает, что она в конечном итоге может начать работу (и выйти на солнечную орбиту). Уже на следующей неделе планируется выступление на данную тему, так что мы сможем узнать что-то новое о природе черных дыр.