Первые звёзды появились через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Их называют звёздами населения III, или Pop III (популяция III). Они состояли почти исключительно из первородных водорода и гелия, достигали размеров в десятки и сотни раз больше солнечных и быстро завершали жизнь, нередко превращаясь в первые чёрные дыры Вселенной.
Некоторые из этих чёрных дыр объединялись в пары, а затем сталкивались, создавая гравитационные волны. Исследование астрофизика Н. В. Кришненду из Бирмингемского университета и его коллег показало, какие сведения о таких древних событиях смогут получить новые гравитационные обсерватории. Результаты работы опубликованы на платформе arXiv.
Действующие установки LIGO в США, Virgo в Италии и KAGRA в Японии уже зарегистрировали около 400 событий, однако их возможности ограничены диапазоном частот. Они позволяют наблюдать процессы, происходившие примерно до восьми миллиардов лет назад, поэтому сигналы от звёзд населения III пока остаются недоступными.
Следующее поколение обсерваторий будет представлено американским Cosmic Explorer (CE) и Einstein Telescope (ET). CE планируют построить в виде L-образной установки с плечами длиной до 40 километров, а ET — как подземный треугольный комплекс со сторонами около 10 километров на Сардинии.
Из-за расширения Вселенной сигнал от слияния, произошедшего около 14 миллиардов лет назад, растягивается примерно в 19 раз. Поэтому чёрные дыры кажутся более массивными, а частота волн снижается: пара объектов массой по 30 масс Солнца могла бы восприниматься как система с общей массой около 1100 солнечных масс. Моделирование показало, что детектор с нижней границей 10 герц зафиксирует лишь последние секунды сближения, тогда как система, способная работать с частотой 5 герц, позволит проследить несколько орбит до столкновения.
По расчётам, совместная работа CE и ET даст возможность определять физическую массу древних чёрных дыр с точностью примерно до 12%. Кроме того, в 60% случаев место слияния можно будет установить в пределах около 60 квадратных градусов, а затем сопоставить эти данные с наблюдениями радиотелескопов, включая Square Kilometer Array (SKA, «Квадратный километровый массив»). Реализация проекта зависит от строительства обеих обсерваторий, однако после их запуска учёные смогут изучать остатки первых звёзд и происхождение ранних чёрных дыр.