Слияния черных дыр, образовавшихся после смерти первых звезд во Вселенной, будут по силам обнаружить перспективным гравитационно-волновым обсерваториям Einstein Telescope и Cosmic Explorer. Низкочастотная чувствительность этих инструментов даст возможность измерить удаленность таких объектов и определить их массу. Об этом 9 сентября проинформировал Phys.org, ссылаясь на работу исследователей из Бирмингемского университета.
Первые звезды и рождение первых черных дырСправка «Известий»Первые звезды возникли спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва — в эпоху, именуемую астрономами космическим рассветом. Их причисляют к так называемому населению III. В отличие от нынешних звезд, они почти целиком состояли из водорода и гелия, так как более тяжелые химические элементы в ранней Вселенной практически отсутствовали.
Полагают, что подобные звезды могли быть гораздо массивнее Солнца и жили сравнительно недолго. Многие из них на финальном этапе коллапсировали, породив одни из первых черных дыр. Некоторые из этих объектов могли входить в двойные системы, постепенно сближаться и в конце концов сливаться.
При подобном событии рождаются гравитационные волны — возмущения, распространяющиеся в пространстве-времени. Они могут принести на Землю сведения об объектах, существовавших свыше 13,5 млрд лет назад. Но нынешние обсерватории пока не имеют нужной чувствительности, чтобы надежно регистрировать столь далекие сигналы.
Самые далекие слияния, зафиксированные сетью LIGO, Virgo и KAGRA, имеют красное смещение примерно z = 1,1. Это отвечает расстоянию порядка 8 млрд парсек. Для изучения остатков первых звезд исследователям нужно наблюдать события с красным смещением z = 15 и более.
Почему древние черные дыры кажутся тяжелееСоздатели работы моделировали потенциал будущей сети, состоящей из Einstein Telescope и Cosmic Explorer. Они проверили, с какой точностью она сумеет устанавливать расстояния, массы, вращение и положение на небе для черных дыр, которые существовали в первые 180–270 млн лет после Большого взрыва.
Одна из основных трудностей обусловлена расширением Вселенной. Пока гравитационная волна идет к Земле, ее длина растет, а частота падает. В то же время масса источника в показаниях детектора представляется выше настоящей.
Например, система из двух черных дыр, каждая массой около 30 солнечных, для земного прибора может предстать двойной системой с суммарной массой примерно 1,1 тыс. солнечных масс. Если не знать точного расстояния, такой объект легко принять за куда более массивную, но сравнительно близкую систему.
Справка «Известий»Чтобы справиться с этой задачей, исследователи задействовали байесовский анализ — метод, который позволяет оценивать вероятные параметры источника с учетом неопределенности измерений. В модель вошла тысяча двойных систем, чьи характеристики отвечали современным воззрениям на остатки звезд населения III.
Вычисления выполнялись для сети из трех детекторов: одного Einstein Telescope с треугольной конфигурацией и двух установок Cosmic Explorer с плечами длиной 20 и 40 км. Это модельное размещение, а не одобренный план строительства. В частности, место для Einstein Telescope еще не выбрано: сейчас рассматриваются Сардиния, регион на границе Бельгии, Германии и Нидерландов, а также Лужица в Германии.
Зачем детекторам нужна частота 5 ГцОтдельное внимание исследователи сосредоточили на нижнем пределе чувствительности приборов. Они сопоставили два варианта: более осторожный, когда детекторы могут улавливать сигналы от 10 Гц, и оптимистичный — от 5 Гц.
Разница всего в 5 Гц оказалась ключевой. При нижней границе 10 Гц прибор фиксирует в основном последние мгновения слияния и последующее затухание колебаний возникшей черной дыры. Существенная часть сближения объектов остается вне доступного диапазона.
Чувствительность от 5 Гц дает возможность зарегистрировать больше финальных витков черных дыр вокруг общего центра масс. Чем дольше сигнал доступен для анализа, тем точнее удается восстановить характеристики его источника.
При одних и тех же строгих критериях отбора в модельном каталоге конфигурация от 5 Гц обнаружила 395 систем, а вариант от 10 Гц — 175. Так, доступ к диапазону 5–10 Гц приумножил количество достаточно мощных сигналов примерно в 2,3 раза.
Самый далекий смоделированный источник имел красное смещение z = 19,8. В конфигурации от 5 Гц ученые с вероятностью 90% сумели определить, что он находится дальше z = 18,5. Для варианта от 10 Гц аналогичная нижняя граница составляла примерно z = 17,5.
Что удастся выяснить о древних черных дырахСогласно расчетам, будущая сеть сумеет измерять массу отдельных черных дыр со средней ошибкой порядка 11–13%. Это даст возможность сопоставлять наблюдаемые объекты с моделями эволюции первых звезд. Подобные измерения важны и для ответа на вопрос о происхождении сверхмассивных черных дыр. Астрономы уже обнаруживают их в очень ранней Вселенной, но пока неясно, как эти объекты успели набрать миллионы и миллиарды солнечных масс за сравнительно короткий срок.
Одна из гипотез исходит из того, что отправной точкой их роста послужили сравнительно легкие черные дыры, сохранившиеся после гибели звезд населения III. Альтернативные сценарии разрешают формирование более тяжелых зародышей в плотных звездных скоплениях или из-за прямого коллапса крупных газовых облаков. Сведения о массе древнейших черных дыр и частоте их слияний помогут проверить эти версии.
Примерно в 60% смоделированных случаев сеть сумела сузить область вероятного нахождения источника до участка не более 60 квадратных градусов. Это все еще заметная часть неба, однако ее можно сравнивать с данными других инструментов, включая радиотелескоп Square Kilometre Array и космическую обсерваторию James Webb.
Вместе с тем вращение черных дыр оказалось установить гораздо труднее. Даже рост низкочастотной чувствительности не дал надежно восстановить параметры прецессии — изменения ориентации оси вращения двойной системы. Это серьезное ограничение, потому что именно вращение могло бы помочь отличить остатки первых звезд от черных дыр иного происхождения.