Наблюдения, в том числе с телескопа "Джеймс Уэбб", показали: в ранней Вселенной существовали неожиданно массивные чёрные дыры. Уже менее чем через миллиард лет после Большого взрыва некоторые весили миллиарды солнечных масс. Как они успели так вырасти, до сих пор неясно.

Новая работа под руководством Ицинь Чэнь из Пекинского педагогического университета, опубликованная в журнале Physical Review Letters, впервые напрямую ограничила массу пар сверхмассивных чёрных дыр в эпоху "космического рассвета" - ранний период истории Вселенной.

Когда две сверхмассивные чёрные дыры обращаются друг вокруг друга, они возмущают пространство-время и излучают гравитационные волны - колебания пространства-времени. Для таких тяжёлых пар один оборот может занимать около года, а волны получаются слишком медленными для наземных детекторов.

Поэтому астрономы ищут их с помощью пульсарных массивов - сетей быстро вращающихся нейтронных звёзд (пульсаров) в нашей Галактике. Пульсары вспыхивают с регулярностью космических часов. Проходящая гравитационная волна слегка сдвигает время этих вспышек, причём сдвиг проявляется согласованно по всему массиву.

Обычные поиски не учитывают расширение Вселенной, которое растягивает гравитационные волны в пути. Это растяжение называют красным смещением. Если его игнорировать, можно ошибиться в оценке масс далёких пар, поэтому такие поиски оставались ограниченными ближней Вселенной.

Команда Чэнь разработала метод, учитывающий сильное красное смещение сигналов из далёкой ранней Вселенной. Волна с красным смещением, дошедшая до Земли, изначально была испущена на более высокой частоте - когда чёрные дыры обращались теснее и излучали сильнее. Это усиление может перевесить ослабление из-за расстояния.

Исследователи проанализировали 18 лет наблюдений 30 пульсаров австралийского пульсарного массива Parkes. Затем они сопоставили поиск с известными положениями и красными смещениями двух объектов. Первый - сверхъяркий квазар, наблюдаемый менее чем через 900 миллионов лет после Большого взрыва. Второй - одна из самых далёких галактик, когда-либо замеченных "Джеймсом Уэббом", видимая менее чем через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Это позволило рассчитать ограничения на истинные массы возможных пар чёрных дыр в этих системах.

Для обоих объектов команда исключила пары с массой примерно 10 миллиардов солнечных масс и более. Это первые прямые ограничения по гравитационным волнам на пары чёрных дыр в эпоху космического рассвета.

Когда Parkes объединит данные с другими массивами, а будущие инструменты вроде Square Kilometer Array повысят точность пульсарного тайминга, ограничения должны стать строже. Вместе с поиском коротких всплесков гравитационных волн это приблизит к наблюдениям и менее экстремальные пары.

Результаты показывают: большие расстояния не обязательно мешают обнаружить пары чёрных дыр. Это может дать новый способ их поиска и помочь объяснить, как столь массивные чёрные дыры появились так рано в истории Вселенной.

Источник: Phys.org