Астрономы впервые получили прямые ограничения на массу пар сверхмассивных чёрных дыр в эпоху космического рассвета. Команда под руководством Ицинь Чэнь из Пекинского педагогического университета проанализировала данные массива синхронизации пульсаров Parkes и показала, что даже на огромных расстояниях такие системы можно искать по гравитационным волнам.
Как пульсары помогают искать чёрные дыры
Две сверхмассивные чёрные дыры, обращающиеся друг вокруг друга, возмущают пространство-время и порождают гравитационные волны. Для настолько массивных объектов один оборот может занимать около года, поэтому частота таких волн слишком мала для наземных детекторов.
Вместо этого астрономы используют массивы синхронизации пульсаров — сети быстро вращающихся нейтронных звёзд, которые служат своеобразными космическими часами. Проходящая гравитационная волна немного меняет время прихода импульсов от пульсаров. Если одинаковая закономерность обнаруживается сразу у многих объектов, она может указывать на гравитационно-волновой сигнал.
До сих пор подобные поиски в основном относились к близкой Вселенной. Причина — расширение пространства, которое растягивает гравитационные волны по пути к Земле. Если не учитывать это красное смещение, можно неправильно оценить массу далёкой пары чёрных дыр.
Ограничения для объектов ранней Вселенной
Исследователи разработали метод, учитывающий сильное красное смещение сигналов из ранней Вселенной. Волна, которую регистрируют на Земле, была испущена на более высокой частоте, когда чёрные дыры находились ближе друг к другу и создавали более сильный сигнал. В некоторых случаях это усиление может перевесить ослабление, вызванное огромным расстоянием.
Для проверки метода команда изучила 18 лет наблюдений за 30 пульсарами, собранных Parkes Pulsar Timing Array в Австралии. Затем эти данные сопоставили с координатами и красными смещениями двух далёких источников. Первый — чрезвычайно яркий квазар, который наблюдался менее чем через 900 млн лет после Большого взрыва. Второй — одна из самых далёких галактик, обнаруженных телескопом James Webb, существовавшая менее чем через 300 млн лет после Большого взрыва.
Для обеих систем исследователи исключили наличие пар чёрных дыр с массой около 10 млрд масс Солнца и более. Это первые прямые ограничения, полученные по гравитационным волнам для пар сверхмассивных чёрных дыр в эпоху космического рассвета.
Поиск продолжится
В дальнейшем ограничения должны стать точнее: Parkes объединяет свои данные с другими массивами, а будущий Square Kilometre Array повысит точность измерений времени прихода импульсов пульсаров. Вместе с поиском коротких всплесков гравитационных волн это может позволить обнаруживать менее массивные пары.
Результат также указывает, что большая дистанция не обязательно делает такие системы недоступными для наблюдений. Новый подход может помочь выяснить, как чёрные дыры массой в миллиарды Солнц успели сформироваться на столь раннем этапе истории Вселенной.
