Темні зорі та гравітаційний гул: нове пояснення космічного шуму

Дослідники з Колгейтського університету Сохан Годла та Космін Іліє запропонували нове пояснення походження фонового гравітаційно-хвильового шуму, який фіксують мережі синхронізації пульсарів. У листі, опублікованому в Physical Review D, вони пов'язують цей сигнал із злиттям гігантських чорних дір, що сформувалися з так званих темних зір у ранньому Всесвіті.

Сучасні детектори, зокрема пульсарні таймінгові антени, реєструють слабкі збурення простору-часу за мікроскопічними зміщеннями в часі прибуття радіоімпульсів від нейтронних зір. Домінуюча теорія пояснювала цей шум поступовим зближенням пар надмасивних чорних дір із сумарною масою понад мільярд сонячних мас. Проте залишалося незрозумілим, як ці об'єкти могли виникнути на ранніх етапах космічної історії.

Годла та Іліє змоделювали два можливі шляхи утворення зародків таких чорних дір: прямий колапс газових хмар та колапс первинних темних зір. Останні, за гіпотезою, живилися не термоядерним синтезом, а енергією анігіляції темної матерії, що дозволяло їм накопичувати масу, яка в мільйон разів перевищує сонячну, залишаючись порівняно холодними. Згодом такі зорі могли перетворюватися на масивні чорні діри.

Розрахунки показали, що за густини зародків темних зір близько 0,001 об'єкта на кубічний мегапарсек їхні нащадки створювали б саме той рівень гравітаційно-хвильового сигналу, який спостерігається. Натомість модель прямого колапсу дає значно меншу густину — приблизно 0,000001 на кубічний мегапарсек, що не узгоджується з даними спостережень.

Це відкриття дозволяє використовувати вимірювання PTA для встановлення жорстких обмежень на поширеність найдавніших зародків чорних дір. Як зазначають автори, результати створюють міст між космологічними теоріями темної матерії, першими світними об'єктами та сучасними гравітаційно-хвильовими спостереженнями.