Астрофизики определили потенциал гравитационного поиска черных дыр промежуточных масс

Астрофизики рассчитали возможности одновременного наблюдения гравитационных волн с помощью наземных и космических интерферометров для поиска сигналов черных дыр промежуточных масс. Совместная работа разных детекторов позволит наблюдать все этапы слияний для множества различных конфигураций объектов, пишут авторы в журнале Nature Astronomy.

Астрономы выделяют три основных типа черных дыр, отличающихся по истории образования и наблюдательным проявлениям: черные дыры звездных масс, сверхмассивные и промежуточные. Существование первых двух разновидностей твердо установлено разнообразными свидетельствами. Третий тип долгое время избегал регистрации, и, хотя сегодня уже найдено несколько подходящих кандидатов, свойства популяции таких черных дыр остаются неизвестными.

Существующие детекторы гравитационных волн (LIGO в США, Virgo в Европе и KAGRA в Японии) чувствительны к колебаниям пространства-времени с частотами порядка десятков и сотен герц. Это сужает диапазон возможных источников сигнала до слияния самых маломассивных объектов, способных генерировать достаточно мощный гравитационный сигнал, то есть до нейтронных звезд и черных дыр не тяжелее 50 Солнц. Для изучения других типов объектов, то есть черных дыр промежуточных масс или тесных двойных белых карликов, требуются другие приемники, которые будут эффективны к волнам гораздо более низких частот.

Американские астрофизики под руководством Карана Яни (Karan Jani) оценили потенциал наблюдений черных дыр промежуточных масс при помощи совместных наблюдений на наземных антеннах, а также на разрабатываемой космической установке LISA, которая по плану должна быть запущена в 2034 году. Ученые разделили возможные сливающиеся пары на несколько классов, а также анализировали данные с учетом вероятного улучшения работающих наземных антенн и введения в строй к 2034 году новых, таких как Телескоп Эйнштейна и Cosmic Explorer.

Авторы называют наблюдение многополосным, если сигнал одной пары объектов удается наблюдать из космоса на стадии сближения, а на Земле — на стадии слияния или последующего «звона» горизонта событий (ringdown). Для случая слияния двух черных дыр с массами порядка тысячи солнечных радиус регистрации может превысить 40 гигапарсек, что соответствует красному смещению свыше 4. Столь большое удаление теоретически позволяет изучить гипотетическое формирование черных дыр промежуточных масс в результате взрывов древнейших звезд населения III.

Для второй группы с большой разницей масс радиус детектирования в лучшем случае не сильно превысит 10 гигапарсек. Это связано с относительно небольшой выделяющейся энергией при слиянии, из-за чего данные события будут трудны для наблюдения на наземных установках. При менее удачных комбинациях параметров, таких как очень большая разница масс (например, 10000 и 100 солнечных), обнаружение будет возможным лишь до сотен мегапарсек. Однако особенности излучения в таком случае позволяют с высокой точностью проверить теоретические представления о черных дырах, такие как теорема об отсутствии волос.

Для третьего типа слияний, в которых участвует пара черных дыр, одна из которых звездной массы, а другая массой около 100 солнечных, возможность регистрации будет ограничена высокочастотными шумами LISA, а не наземными установками. В таком случае многополосные наблюдения будут возможны также до относительно небольших расстояний в пару сотен мегапарсек. Также не исключено, что сигнал на этапе сближения будет на уровне шумов в данных LISA, и только благодаря восстановлению параметров после наблюдения слияния на наземных установках можно будет выделить сигнал раннего этапа.

Авторы заключают, что при любой комбинации параметров наилучшим вариантом будет одновременная работа Lisa в космосе и Телескопа Эйнштейна на Земле. Однако даже отмена наземных приемников третьего поколения позволит уверенно наблюдать события с участием черных дыр до 2000 солнечных масс. Обнаружение таких событий окончательно докажет реальность подобных объектов и позволит выяснить свойства их популяции, а отсутствие искомых сигналов — установить оценки на темп слияний.

Ранее астрономы пришли к выводу, что антенна LISA сможет найти планеты у двойных белых карликов по всей Галактике. Также ученые обнаружили экстремально тесную пару белых карликов — она самая лучшая для наблюдений с помощью космического детектора.