Темні зорі могли дати початок надмасивним чорним дірам

24 серпня 2026 р. 23:47

24 серпня 2026 р. 23:47

Космічний «гул» низькочастотних гравітаційних хвиль, виявлений 2023 року, може бути відлунням гіпотетичних темних зір , які стали зародками перших надмасивних чорних дір. На це вказує новий аналіз, про який розповідає видання Space Astronomy .

Ці хвилі зафіксували за допомогою так званого пульсарного часовимірювального масиву — мережі пульсарів, що працюють як надточні космічні годинники. Дослідники припускають, що отриманий сигнал може не лише описувати історію злиття чорних дір, а й містити інформацію про те, як у ранньому Всесвіті зародилися надмасивні чорні діри.

Космічні годинники та фон гравітаційних хвиль

Пульсари — це нейтронні зорі, які дуже швидко обертаються та випромінюють вузькі промені радіації зі своїх полюсів. Коли такі промені регулярно «підмигують» Землі, їх можна використовувати для фіксації крихітних змін у просторі-часі.

Гравітаційні хвилі, що проходять крізь простір, розтягують і стискають його, спричиняючи надзвичайно малі затримки в часі прибуття імпульсів від пульсарів. Щоб виявити фоновий сигнал — сукупність багатьох таких хвиль, — астрономам довелося спостерігати за пульсарами протягом багатьох років.

Досі найпопулярнішим поясненням цього фону була історія злиття бінарних чорних дір з масами понад мільярд сонячних. Але це не розв’язує головну загадку: звідки взялися такі масивні чорні діри так рано, якщо космічні «ланцюжки живлення» та злиття мали б тривати довше, ніж перший мільярд років існування Всесвіту.

Темні зорі як важкі «насінини» чорних дір

Космін Іліє (Cosmin Ilie) та його колега Сохан Гходла (Sohan Ghodla) з Університету Колгейт припустили, що зростання надмасивних чорних дір могло стартувати з уже дуже важких зародків. Ці зародки, за їхньою ідеєю, утворилися під час колапсу темних зір у ранньому Всесвіті.

Темні зорі — це гіпотетичні первинні зорі, які замість ядерного синтезу отримують енергію від самознищення частинок темної матерії в їхніх ядрах. Такий механізм мав би утримувати їх від сильного нагрівання, на відміну від звичайних зір, і дозволяти довго нарощувати масу, поглинаючи навколишню речовину.

За розрахунками, цей процес міг тривати доти, доки маса темної зорі не досягала мільйонів сонячних мас. Після цього зоря мала б зруйнуватися під власною гравітацією, утворивши масивну чорну діру — важке «насіння», з якого згодом через зіткнення та злиття могли вирости надмасивні чорні діри.

Моделювання середовища та внесок у гравітаційний фон

Іліє та Гходла змоделювали середовище, у якому такі важкі чорні діри-зародки існували б і зливалися між собою. Вони оцінили частоту злиттів і те, як це мало б вплинути на фоновий сигнал гравітаційних хвиль, зафіксований пульсарними масивами.

Результати показали, що залишки темних зір могли б робити значний, а можливо, навіть домінівний внесок у гравітаційний фон, виявлений 2023 року. Це означає, що вимірювання пульсарних масивів можуть стати інструментом для оцінки того, наскільки поширеними були важкі зародки чорних дір у ранньому Всесвіті.

За словами дослідників, якщо таких масивних «насінин» було надто багато, модель дає надто сильний сигнал порівняно з тим, що спостерігається. Якщо ж їх було замало, доводиться залучати інші механізми, які пізніше мали б дуже ефективно збирати надмасивні чорні діри, щоб узгодити теорію з даними пульсарних масивів.

Роль гало темної матерії та майбутні перевірки

Ключовим параметром у цій картині виявляється маса гало темної матерії, у яких формуються темні зорі та важкі зародки чорних дір. Саме властивості цих гало визначають, скільки темних зір могло виникнути, як вони росли та коли колапсували.

Перевірити, чи правильна ця інтерпретація, вдасться лише зі зростанням точності вимірювань фону гравітаційних хвиль пульсарними масивами, а також із кращим розумінням популяцій чорних дір у ранньому Всесвіті та їхніх характеристик.

Робота команди опублікована в журналі Physical Review D і пропонує новий спосіб зазирнути в «космічний світанок» — не через світло перших об’єктів, а через гравітаційний слід, який їхні нащадки залишили в просторі-часі до наших днів.

Наука