Международная научная группа, возглавляемая исследователями Пекинского педагогического университета, объявила о получении первых прямых гравитационно-волновых ограничений на массы пар сверхмассивных чёрных дыр, существовавших в эпоху так называемого космического рассвета. В работе были использованы 18 лет накопленных наблюдений австралийского проекта Parkes Pulsar Timing Array, что позволило исключить наличие в двух далёких системах двойных чёрных дыр с совокупной массой порядка 10 миллиардов солнечных масс. По заявлению авторов, это первые пределы такого рода для объектов столь ранней космологической эпохи, когда возраст Вселенной составлял лишь сотни миллионов лет.
Как пульсары служат космическими часами
Parkes Pulsar Timing Array представляет собой сеть из десятков миллисекундных пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звёзд, испускающих строго периодические радиоимпульсы. Благодаря исключительной стабильности их вращения пульсары функционируют как природные хронометры: проходящая наногерцовая гравитационная волна от обращающейся пары сверхмассивных чёрных дыр вносит характерные отклонения во время прихода импульсов. Ключевое условие обнаружения состоит в том, что подобные отклонения должны одновременно проявляться в наблюдениях нескольких пульсаров, что позволяет отделить сигнал от локальных шумов. Именно этот метод на протяжении последних лет является основным инструментом поиска гравитационных волн с периодами орбитального движения порядка лет.
Коррекция красного смещения меняет картину
Центральным методологическим новшеством исследования стало включение космологического красного смещения в расчёт чувствительности пульсарного метода. Прежние подходы практически не учитывали растяжение гравитационных волн при расширении Вселенной. Авторы показали, что далёкая двойная система может казаться земному наблюдателю ярче, чем предсказывает простая модель ослабления сигнала с расстоянием: из-за красного смещения волна принимается на более низкой частоте, чем та, на которой она была излучена, а это означает, что в момент эмиссии чёрные дыры находились ближе друг к другу, двигались быстрее и генерировали более интенсивный сигнал. При достаточно большом красном смещении это усиление частично компенсирует ослабление, обусловленное огромным расстоянием. В результате исследователи распространили оценку чувствительности пульсарного метода на объекты с красным смещением до 20, что соответствует эпохе, когда Вселенной было менее миллиарда лет.
Две системы на границе наблюдаемой Вселенной
Для проверки нового подхода авторы выбрали две системы. Первая — яркий квазар J0100+2802 с красным смещением 6,327, чьё излучение было испущено, когда возраст Вселенной не превышал 900 миллионов лет. Вторая — галактика JADES-GS-z14-0, открытая космическим телескопом «Джеймс Уэбб» при красном смещении 14,32, то есть менее чем через 300 миллионов лет после Большого взрыва. Для обеих систем удалось установить верхний предел на величину, характеризующую совместную массу двух чёрных дыр и определяющую параметры ожидаемого гравитационного сигнала. Полученные данные исключают существование систем с массой порядка 10 миллиардов солнечных масс и выше, хотя текущая чувствительность пока недостаточна для однозначного определения, являются ли сами эти объекты двойными.
Значение для космологии и перспективы
Результат открывает принципиально новый канал изучения того, каким образом сверхмассивные чёрные дыры успели нарастить массу до миллиардов солнечных масс в самые ранние эпохи существования Вселенной — вопрос, остающийся одной из центральных загадок современной космологии. Авторы подчёркивают, что по мере объединения данных Parkes Pulsar Timing Array с результатами других пульсарных массивов, а в перспективе — с наблюдениями радиотелескопа Square Kilometre Array, ограничения на массы двойных систем станут существенно точнее. Это приблизит астрофизиков к прямой проверке конкурирующих сценариев роста ранних чёрных дыр, в том числе сценариев, в которых они формировались и наращивали массу преимущественно за счёт последовательных слияний.
