Міжнародна наукова група, очолювана дослідниками Пекінського педагогічного університету, оголосила про отримання перших прямих гравітаційно-хвильових обмежень на маси пар надмасивних чорних дір, що існували в епоху так званого космічного світанку. У роботі було використано 18 років накопичених спостережень австралійського проєкту Parkes Pulsar Timing Array, що дозволило виключити наявність у двох далеких системах подвійних чорних дір із сукупною масою порядку 10 мільярдів сонячних мас. За заявою авторів, це перші межі такого роду для об'єктів настільки ранньої космологічної епохи, коли вік Всесвіту становив лише сотні мільйонів років.
Як пульсари слугують космічними годинниками
Parkes Pulsar Timing Array є мережею з десятків мілісекундних пульсарів — швидко обертових нейтронних зірок, що випромінюють суворо періодичні радіоімпульси. Завдяки винятковій стабільності їхнього обертання пульсари функціонують як природні хронометри: гравітаційна хвиля наногерцового діапазону, що проходить від пари надмасивних чорних дір, вносить характерні відхилення в час приходу імпульсів. Ключова умова виявлення полягає в тому, що такі відхилення мають одночасно проявлятися в спостереженнях декількох пульсарів, що дозволяє відділити сигнал від локальних шумів. Саме цей метод упродовж останніх років є основним інструментом пошуку гравітаційних хвиль із періодами орбітального руху порядку років.
Корекція червоного зміщення змінює картину
Центральним методологічним нововведенням дослідження стало включення космологічного червоного зміщення в розрахунок чутливості пульсарного методу. Колишні підходи практично не враховували розтягнення гравітаційних хвиль під час розширення Всесвіту. Автори показали, що далека подвійна система може здаватися земному спостерігачеві яскравішою, ніж передбачає проста модель послаблення сигналу з відстанню: через червоне зміщення хвиля приймається на нижчій частоті, ніж та, на якій вона була випромінювана, а це означає, що в момент емісії чорні діри перебували ближче одна до одної, рухалися швидше і генерували інтенсивніший сигнал. При досить великому червоному зміщенні це посилення частково компенсує послаблення, зумовлене величезною відстанню. У результаті дослідники поширили оцінку чутливості пульсарного методу на об'єкти з червоним зміщенням до 20, що відповідає епосі, коли Всесвіту було менше ніж мільярд років.
Дві системи на межі спостережуваного Всесвіту
Для перевірки нового підходу автори обрали дві системи. Перша — яскравий квазар J0100+2802 із червоним зміщенням 6,327, чиє випромінювання було випущене, коли вік Всесвіту не перевищував 900 мільйонів років. Друга — галактика JADES-GS-z14-0, відкрита космічним телескопом «Джеймс Вебб» при червоному зміщенні 14,32, тобто менш ніж через 300 мільйонів років після Великого вибуху. Для обох систем вдалося встановити верхню межу на величину, що характеризує спільну масу двох чорних дір і визначає параметри очікуваного гравітаційного сигналу. Отримані дані виключають існування систем із масою порядку 10 мільярдів сонячних мас і вище, хоча поточна чутливість поки недостатня для однозначного визначення, чи є самі ці об'єкти подвійними.
Значення для космології та перспективи
Результат відкриває принципово новий канал вивчення того, яким чином надмасивні чорні діри встигли наростити масу до мільярдів сонячних мас у найраніші епохи існування Всесвіту — питання, що залишається однією з центральних загадок сучасної космології. Автори підкреслюють, що в міру об'єднання даних Parkes Pulsar Timing Array з результатами інших пульсарних масивів, а в перспективі — зі спостереженнями радіотелескопа Square Kilometre Array, обмеження на маси подвійних систем стануть суттєво точнішими. Це наблизить астрофізиків до прямої перевірки конкуруючих сценаріїв росту ранніх чорних дір, у тому числі сценаріїв, у яких вони формувалися і нарощували масу переважно за рахунок послідовних злиттів.
