Загадъчен фон от изключително нискочестотни гравитационни вълни, засечен от мрежи от пулсари, може да съдържа информация за събития, започнали преди повече от 13 милиарда години, включително образуването на някои от първите свръхмасивни черни дупки във Вселената, която напомняме, официално е на 13.8 милиарда години.
В ново проучване, публикувано в писмо в Physical Review D, Сохан Годла (Sohan Ghodla) и Космин Илие (Cosmin Ilie) от Университета Колгейт изследват дали свръхмасивните черни дупки, образували се в ранната Вселена, биха могли евентуално да произведат значителна част от гравитационния вълнов фон, който сега се наблюдава от пулсарния тайминг масив (PTA) - детекторна мрежа с размерите на галактика, която наблюдава десетки ултрастабилни милисекундни пулсари по небето, за да измерва малки промени във времената на пристигане на техните радиоимпулси. Астрономите използват PTA, проследявайки тези космически метрономи, за да откриват нискочестотни (на ниво на нанохерц) гравитационни вълни.
Резултатите им установяват пряка връзка между две привидно различни наблюдателни области: наблюдения на неочаквано масивни черни дупки в младата Вселена и гравитационни вълни, произведени милиарди години по-късно от двойни системи от свръхмасивни черни дупки. Забележително е, че изследователите откриват, че една възможна популация от ранни ядра на черни дупки - черни дупки, оставени от свръхмасивни тъмни звезди - може да има доминиращ принос към наблюдавания сигнал от PTA.
"Пулсарните синхронизирани решетки обикновено се смятат за инструменти за откриване на свръхмасивни двойни черни дупки в сравнително новата вселена", отбелязва Илие. "Нашето изследване обаче показва, че сигналът може да съдържа и информация за това как са се образували предшествениците на тези черни дупки в космическата зора. В този смисъл гравитационните вълни, които наблюдаваме днес, биха могли да предложат нов прозорец към раждането на първите свръхмасивни черни дупки."
Предсказани нанохерцови гравитационни вълнови фонове на потомци на ранни свръхмасивни черни дупки. Модели, в които черните дупки произхождат от колабирали свръхмасивни тъмни звезди, могат да достигнат гравитационния вълнов фон, измерен чрез Pulsar Timing Arrays, докато много по-рядката популация от директно колабирали черни дупки, разглеждана в това изследване, произвежда значително по-слаб сигнал. Кредит: Physical Review D (2026). DOI: 10.1103/hvfd-8fkr
Използване на космически часовници за откриване на масивни черни дупки
Пулсарните синхронизирани масиви използват бързо въртящи се неутронни звезди, наречени пулсари, като изключително точни космически часовници. Дълго пътуващите гравитационни вълни едва доловимо променят времената на пристигане на радиоимпулсите, достигащи Земята. Чрез години наблюдение на много пулсари, сътрудничества по целия свят са открили доказателства за стохастичен фон от гравитационни вълни на нанохерцови честоти.
Най-често срещаното астрофизично обяснение е космическа популация от свръхмасивни двойни черни дупки, които се въртят спираловидно една към друга. Черните дупки с комбинирана маса над приблизително един милиард пъти масата на Слънцето имат особено важен принос за честотите на PTA.
Но образуването на такива огромни черни дупки повдига друг въпрос: откъде са дошли първоначалните им зачатъци?
Наблюдения с инструменти като космическия телескоп "Джеймс Уеб" и "Чандра" разкриха масивни черни дупки изненадващо рано в космическата история, което е подхранило интереса към механизми, способни бързо да произведат зачатъците на масивни черни дупки.
Годла и Илие си задават въпроса дали потомството на такива ранни семена може да оцелее, да расте заедно с галактиките-домакини, в крайна сметка да образува двойни галактики и да генерира гравитационния вълнов фон, който е измерен милиарди години по-късно.
Reconstructing PTA measurements via early seeding of supermassive black holes. Sohan Ghodla et. al. https://arxiv.org/abs/2507.06163
— AstroArxiv (@astroarxiv.bsky.social) July 28, 2026 at 10:46 AM
[image or embed]
Възможен гравитационен вълнов сигнал от тъмни звезди
Изследователите са изследвали два ранни канала за образуване на черни дупки: черни дупки, образувани от директен колапс и колапс на свръхмасивни тъмни звезди.
Тъмните звезди са предложен тип първична звезда, чийто основен източник на енергия е нагряването, свързано с тъмната материя, а не обикновеният ядрен синтез.
В сценария WIMP (Слабо взаимодействаща масивна частица - един от водещите кандидати за тъмна материя), разглеждан в изследването, тъмните звезди могат да останат относително хладни и големи, като същевременно продължават да привличат материя, което потенциално им позволява да достигнат маси от 1 милион пъти масата на Слънцето или повече, преди да колапсират в масивни черни дупки.
В тази работа Годла и Илие проследяват космологичната еволюция на черните дупки, произведени от такива семена, моделират ореолите, в които се намират, изчисляват скоростите на тяхното сливане и прогнозират получения гравитационен вълнов фон. Те стигат до заключението, че ако остатъците от свръхмасивни тъмни звезди имат числена плътност от порядъка на 10⁻³ Mpc⁻³, тяхното потомство може да има голям - и евентуално доминиращ - принос към гравитационния вълнов сигнал на PTA.
Очаква се конкуриращата се популация от директно колабирали черни дупки, разглеждани в изследването, да бъде много по-рядка, с характерни плътности около 10⁻⁶ Mpc⁻³, и следователно да има много по-малък принос.
Използване на гравитационни вълни като опис на ранната Вселена
Ключовото заключение от тази работа е, че съществуващите PTA измервания могат да се използват за определяне на горна граница за това колко многобройни може да са били ранните зародиши на свръхмасивни черни дупки. "Ако се произведат твърде много от тези масивни зародиши, ще получите надценяване на сигнала, засечен от PTA. Ако се произведат твърде малко, ще ви трябват други източници, за да сглобите ефективно тези свръхмасивни черни дупки по-късно в живота на Вселената, за да отговорят на PTA наблюденията", посочва Годла.
За моделите, сега изследвани, астрономите установяват, че плътността на зародишите в диапазона от приблизително 10⁻²–10⁻¹ Mpc⁻³ би преувеличила измерения гравитационен вълнов фон, като точното ограничение силно зависи от масите на ореолите от тъмна материя, в които са се образували зародишите.
Това означава, че наблюденията на PTA може да са в състояние да направят нещо неочаквано: да ограничат популациите от обекти, които са съществували при червени отмествания по-големи от 10⁹, дори ако сливанията на техните потомци, произвеждащи гравитационни вълни, се случват много по-късно. Изчислението също така потвърждава по-ранен резултат, че двойните системи с обща маса на черните дупки от приблизително 10⁹ слънчеви маси доминират в прогнозирания PTA сигнал. Двойните системи с по-ниски маси допринасят значително по-малко.
Резултатите установяват нова наблюдателна връзка между физиката на тъмната материя, образуването на първите светещи обекти, произхода на свръхмасивните черни дупки и гравитационно-вълновата астрономия.
"Първоначално тъмните звезди бяха предложени като обекти, които биха могли да бъдат директно наблюдавани в "Космическата зора"", каза Илие. "Това изследване сочи към съвсем различен начин за проверка на евентуалната им роля в космическата история. Техните потомци биха могли да оставят отпечатък от гравитационни вълни, който се запазва в сегашната вселена."
Бъдещите подобрения в PTA измерванията, комбинирани с по-добри ограничения върху популациите от черни дупки с високо червено отместване и техните галактики гостоприемници, биха могли да помогнат за разграничаване на различните сценарии за образуването на първите свръхмасивни черни дупки във Вселената.
Справка: Sohan Ghodla et al, Reconstructing PTA measurements via early seeding of supermassive black holes, Physical Review D (2026). DOI: 10.1103/hvfd-8fkr. On arXiv: arxiv.org/abs/2507.06163
Източник: Dark Stars may have left gravitational-wave echoes across the universe, Colgate University
Още по темата
Космос
Ултрабърз пулсар е открит близо до свръхмасивната черна дупка на Млечния път
Космос
Най-високоенергийният пулсар, наблюдаван някога, може да е знак за "нова физика"
Космос
Пулсарите ще разкрият откъде идва фоновото гравитационно бръмчене на Вселената
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Ще спре ли смъртта на момиче китайския възход в генното редактиране
dolivo
Колко бързо става квантовото вплитане? Учени го изследват в атосекунден мащаб
Bai Tanas
Защо бамята е толкова слузеста?
БотоксПутю
В скална формация на Марс е открит органичен въглерод