Гравитационные волны укажут на существование первичных черных дыр

Черные дыры не могли образоваться по стандартному сценарию (в результате коллапса материи) раньше, чем через сто миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z = 40), утверждают двое физиков из Гарварда. Поэтому если мы зарегистрируем гравитационные волны от слияния двух черных дыр с бóльшим красным смещением, это будет практически однозначным свидетельством в пользу существования первичных черных дыр. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Согласно стандартному сценарию, черная дыра образуется в результате гравитационного коллапса крупной звезды. По общепринятой сейчас модели развития Вселенной звезды начали появляться только спустя 150-500 миллионов лет после Большого взрыва (эпоха реионизации), то есть до момента реионизации черные дыры не должны были возникать. С другой стороны, в ранней Вселенной вещество было очень горячим и неоднородным, и черные дыры могли появляться просто из-за колебаний его плотности. Такие черные дыры называются первичными. Отдаленно возникновение первичных черных дыр напоминает кипение абсолютно чистой воды, в которой пузырьки могут возникать только из-за колебаний плотности жидкости (хотя обычно этот процесс ускоряется попавшими в жидкость телами, например, пылинками).

К сожалению, наблюдать черные дыры непосредственно очень сложно, поскольку свет не может покинуть их окрестности. Поэтому в основном их ищут, оценивая гравитационное влияние  на находящиеся рядом тела. Для первичных черных дыр этот способ, очевидно, работать не будет, но есть и другие способы заметить черные дыры. Например, система, состоящая из двух черных дыр, со временем коллапсирует в одну более массивную дыру, излучая при этом гравитационные волны. По этим волнам можно примерно установить красное смещение исходной системы (то есть момент, в который произошло слияние) и массу дыр. На данный момент коллаборация LIGO зарегистрировала уже пять событий, отвечающих слиянию двух черных дыр, а за разработку детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн в этом году Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну присудили Нобелевскую премию.

В этой статье физики Саввас Кушиаппас (Savvas M Koushiappas) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) оценили, насколько часто мы должны регистрировать слияния черных дыр в зависимости от их красного смещения. Для этого ученые использовали стандартную космологическую модель и считали, что звезды и черные дыры образуются из вещества, пойманного в гало темной материи. При этом масса гало должна превышать некоторый предел, чтобы холодный молекулярный водород начал сжиматься и превращаться в звезды. Зависимость массы гало от времени ученые взяли из более старой работы, скорость притока обычной материи они оценили так же, как в другой статье.

В результате оказалось, что чем больше красное смещение, тем реже образуются черные дыры (по стандартному сценарию), и тем реже мы должны регистрировать их слияния, а начиная со смещения z = 40 регистраций быть вообще не должно. В более древние времена вещество не могло коллапсировать в дыры, и сливаться было просто нечему. С другой стороны, в те времена могли образоваться первичные черные дыры, и если мы поймаем волны с бóльшим красным смещением, это будет хорошим аргументом в пользу их существования.

Стоит отметить, что в данной работе физики сделали два существенных приближения, которые сильно упростили их расчеты. Во-первых, они считали, что образование и слияние черных дыр происходит мгновенно. Другими словами, газ и пыль мгновенно сжимаются в звезды, которые сразу же коллапсируют в черные дыры, а затем получившаяся двойная система немедленно сливается в одну большую черную дыру, излучая гравитационные волны. Во-вторых, ученые предполагали, что все вещество, пойманное в скоплениях темной материи, неизбежно превращается в черные дыры. Конечно, в действительности вещество расходуется не так «эффективно», однако учет этих поправок приводит только к менее слабым ограничениям на красное смещение.

Таким образом, физики заключают, что если мы зарегистрируем гравитационные волны от слияния двух черных дыр с красным смещением z > 40, это укажет либо на существование первичных черных дыр, либо на то, что в те времена все-таки были звезды. В любом случае, это открытие оказало бы огромное влияние на развитие космологии. На данный момент точности детекторов для этого не достаточно, однако ожидается, что такие события можно будет зарегистрировать с помощью детектора гравитационных волн следующего поколения (Космического исследователя, Cosmic Explorer).

На данный момент астрономам удалось заглянуть примерно на 13,4 миллиарда лет в прошлое Вселенной — так, галактика UDFj-39546284 имеет красное смещение около z = 12. А самая древняя (то есть самая далекая от нас) спиральная галактика имеет красное смещение около z = 2,5.

Дмитрий Трунин