Сигнал от сверхмассивных тёмных звёзд (синий) значительно сильнее сигнала от чёрных дыр прямого коллапса (оранжевый). Источник: Universe Today.
Пульсары отличаются высокой стабильностью вращения и могут использоваться как космические часы. Наблюдая за небольшими изменениями времени прихода их импульсов, учёные отслеживают смещения, вызванные эффектом Доплера. Такой подход позволил получить косвенные свидетельства существования гравитационных волн ещё до их непосредственной регистрации.
Для этого применяют массивы синхронизации пульсаров — системы длительных наблюдений за большим числом объектов. Один из таких проектов, NANOGrav, в течение 15 лет изучал 67 пульсаров. Исследователи рассчитывали обнаружить следы инфляции — чрезвычайно быстрого расширения Вселенной вскоре после Большого взрыва, которое, согласно теории, должно было оставить фоновый сигнал гравитационных волн.
Наблюдения действительно выявили космический фон гравитационных волн, однако его сигнал, вероятно, в основном создаётся взаимодействиями сверхмассивных чёрных дыр. Поэтому волны, связанные с ранней инфляцией Вселенной, могут теряться на фоне других источников. Новое исследование посвящено тому, что этот фон способен рассказать о происхождении сверхмассивных объектов.
Авторы рассмотрели два сценария появления первых сверхмассивных чёрных дыр. Согласно первому, они могли возникнуть из так называемых чёрных дыр прямого коллапса, сформировавшихся непосредственно при сжатии массивных облаков водорода и гелия, а не после гибели звёзд. Второй, более гипотетический вариант предполагает существование сверхмассивных тёмных звёзд: гигантских облаков обычного вещества и тёмной материи, где тепло и свет выделялись бы за счёт распада тёмной материи, а не ядерного синтеза.
Расчёты показали, что наблюдаемый фон гравитационных волн ограничивает количество чёрных дыр прямого коллапса: их не должно быть больше одной на 10 кубических мегапарсеков, иначе сигнал оказался бы сильнее зарегистрированного. При этом предполагаемая распространённость таких объектов могла составлять лишь одну на миллион кубических мегапарсеков. Сверхмассивные тёмные звёзды, если они существовали, могли встречаться гораздо чаще из-за преобладания тёмной материи во Вселенной и стать основным источником наблюдаемого сигнала, однако это не доказывает их существование.