Пульсары позволили установить предел массы двойных чёрных дыр в ранней Вселленой
- Международная команда использовала 18 лет данных Parkes Pulsar Timing Array и исключила в двух системах двойные чёрные дыры массой от 10 млрд масс Солнца.
- Ограничения получили для квазара J0100+2802 с красным смещением 6,327 и галактики JADES-GS-z14-0 с красным смещением 14,32.
- Учёт космологического красного смещения позволил распространить оценку чувствительности метода на объекты с красным смещением до 20.
Почему это важно: Метод открывает новый способ изучать, как сверхмассивные чёрные дыры выросли до миллиардов солнечных масс в ранней Вселенной.
Международная команда из Пекинского педагогического университета впервые получила прямые ограничения на массы пар сверхмассивных чёрных дыр в эпоху космического рассвета. Учёные использовали 18 лет наблюдений австралийского проекта Parkes Pulsar Timing Array и смогли исключить существование в двух далёких системах двойных чёрных дыр с массой от 10 млрд масс Солнца. Это — первые гравитационно-волновые пределы для объектов столь ранней эпохи.
Parkes Pulsar Timing Array — это сеть из десятков миллисекундных пульсаров, быстро вращающихся нейтронных звёзд, которые испускают регулярные радиоимпульсы. Их можно использовать как хронометр: проходящая гравитационная меняет время прихода импульсов, причём характерные отклонения проявляются сразу в наблюдениях нескольких пульсаров. Так астрономы ищут наногерцовые гравитационные волны от сверхмассивных чёрных дыр, обращающихся друг вокруг друга с периодами порядка лет.
Главная сложность заключалась в том, что прежние методы поиска почти не учитывали космологическое красное смещение — растяжение волн из-за расширения Вселенной. В новом исследовании включили этот эффект в расчёты и обнаружили неожиданную особенность: далёкая двойная система может казаться для земного наблюдателя ярче, чем следовало бы ожидать с учётом расстояния. Из-за красного смещения наблюдатель принимает волну на более низкой частоте, чем та, на которой она была испущена. Значит, в момент излучения чёрные дыры находились ближе друг к другу, двигались быстрее и генерировали более сильные волны. При достаточно большом красном смещении это усиление компенсирует ослабление сигнала из-за расстояния. Благодаря такой поправке учёные смогли распространить оценку чувствительности пульсарного метода на объекты с красным смещением до 20.
Для проверки подхода исследователи выбрали 2 системы. Первая — яркий квазар J0100+2802 с красным смещением 6,327: его излучение испущено, когда возраст Вселенной не превышал 900 млн лет. Вторая — галактика JADES-GS-z14–0, обнаруженная телескопом «Джеймс Уэбб» при красном смещении 14,32, то есть менее чем через 300 млн лет после Большого взрыва. Для обеих систем удалось установить предел на величину, характеризующую совместную массу двух чёрных дыр и определяющую параметры гравитационного сигнала. Данные исключают системы с массой порядка 10 млрд масс Солнца и выше, хотя пока недостаточно чувствительны, чтобы определить, являются ли сами эти объекты двойными.
Результат открывает новый способ изучать, как сверхмассивные чёрные дыры успели вырасти до миллиардов солнечных масс в первые эпохи существования Вселенной. По мере объединения данных исследования с другими пульсарными массивами, а в будущем — с наблюдениями радиотелескопа Square Kilometre Array, ограничения должны стать точнее. Это приблизит астрономов к проверке сценариев, в которых ранние чёрные дыры росли, сливаясь друг с другом.
© iXBT
