2
За 18 лет наблюдений за нейтронными звёздами удалось впервые установить прямые гравитационно-волновые ограничения для пар сверхмассивных чёрных дыр в системах, существовавших менее чем через миллиард лет после Большого взрыва
Международная команда из Пекинского педагогического университета впервые смогла получить прямые ограничения на массы пар сверхмассивных чёрных дыр, возникших в эпоху космического рассвета. Ученые проанализировали 18 лет данных австралийского проекта Parkes Pulsar Timing Array и смогли исключить возможность существования в двух удалённых системах двойных чёрных дыр с массой от 10 миллиардов солнечных масс. Это — первые гравитационно-волновые пределы для объектов такой ранней эпохи.
Parkes Pulsar Timing Array — это сеть, состоящая из десятков миллисекундных пульсаров, быстро вращающихся нейтронных звёзд, которые испускают регулярные радиоимпульсы. Их можно использовать как хронометры: проходящая гравитационная волна изменяет время прихода импульсов, и характерные отклонения проявляются одновременно в наблюдениях нескольких пульсаров. Таким образом, астрономы ищут наногерцовые гравитационные волны от сверхмассивных чёрных дыр, вращающихся друг вокруг друга с периодами порядка нескольких лет.
Основная сложность заключалась в том, что предыдущие методы поиска почти не учитывали космологическое красное смещение — растяжение волн из-за расширения Вселенной. В новом исследовании был учтён этот эффект в расчетах, и было обнаружено неожиданное явление: удалённая двойная система может казаться для земного наблюдателя ярче, чем предполагалось с учётом расстояния. Из-за красного смещения наблюдатель принимает волну на более низкой частоте, чем та, на которой она была изначально испущена. Это означает, что в момент излучения чёрные дыры находились ближе друг к другу, двигались быстрее и создавали более мощные волны. При достаточно большом красном смещении это усиление компенсирует ослабление сигнала из-за расстояния. Благодаря такому учету учёные смогли расширить оценку чувствительности пульсарного метода на объекты с красным смещением до 20.
Для проверки предложенного подхода исследователи выбрали две системы. Первая — яркий квазар J0100+2802 с красным смещением 6,327: его излучение было испущено, когда возраст Вселенной составлял не более 900 миллионов лет. Вторая — галактика JADES-GS-z14-0, обнаруженная телескопом «Джеймс Уэбб» с красным смещением 14,32, то есть менее чем через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Для обеих систем было установлено ограничение на величину, характеризующую совместную массу двух чёрных дыр и определяющую параметры гравитационного сигнала. Данные исключают системы с массой порядка 10 миллиардов солнечных масс и выше, хотя пока недостаточно чувствительны, чтобы определить, являются ли сами эти объекты двойными.
Полученные результаты открывают новый способ изучения того, как сверхмассивные чёрные дыры смогли вырасти до миллиардов солнечных масс в ранние эпохи существования Вселенной. С объединением данных исследования с другими пульсарными массивами и в будущем — с наблюдениями радиотелескопа Square Kilometre Array, ограничения должны стать более точными. Это приближает астрономов к проверке сценариев, в которых ранние чёрные дыры развивались, сливаясь друг с другом.
Источник