Черные дыры не могли образоваться по стандартному сценарию (в результате коллапса материи) раньше, чем через сто миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z = 40), утверждают двое физиков из Гарварда. Поэтому если мы зарегистрируем гравитационные волны от слияния двух черных дыр с бóльшим красным смещением, это будет практически однозначным свидетельством в пользу существования первичных черных дыр. Статья опубликована в Physical Review Letters.
Согласно стандартному сценарию, черная дыра образуется в результате гравитационного коллапса крупной звезды. По общепринятой сейчас модели развития Вселенной звезды начали появляться только спустя 150-500 миллионов лет после Большого взрыва (эпоха реионизации), то есть до момента реионизации черные дыры не должны были возникать. С другой стороны, в ранней Вселенной вещество было очень горячим и неоднородным, и черные дыры могли появляться просто из-за колебаний его плотности. Такие черные дыры называются первичными. Отдаленно возникновение первичных черных дыр напоминает кипение абсолютно чистой воды, в которой пузырьки могут возникать только из-за колебаний плотности жидкости (хотя обычно этот процесс ускоряется попавшими в жидкость телами, например, пылинками).
К сожалению, наблюдать черные дыры непосредственно очень сложно, поскольку свет не может покинуть их окрестности. Поэтому в основном их ищут, оценивая гравитационное влияние на находящиеся рядом тела. Для первичных черных дыр этот способ, очевидно, работать не будет, но есть и другие способы заметить черные дыры. Например, система, состоящая из двух черных дыр, со временем коллапсирует в одну более массивную дыру, излучая при этом гравитационные волны. По этим волнам можно примерно установить красное смещение исходной системы (то есть момент, в который произошло слияние) и массу дыр. На данный момент коллаборация LIGO зарегистрировала уже пять событий, отвечающих слиянию двух черных дыр, а за разработку детектора LIGO и наблюдение гравитационных волн в этом году Райнеру Вайссу, Барри Бэришу и Кипу Торну присудили Нобелевскую премию.
В этой статье физики Саввас Кушиаппас (Savvas M Koushiappas) и Абрахам Лёб (Abraham Loeb) оценили, насколько часто мы должны регистрировать слияния черных дыр в зависимости от их красного смещения. Для этого ученые использовали стандартную космологическую модель и считали, что звезды и черные дыры образуются из вещества, пойманного в гало темной материи. При этом масса гало должна превышать некоторый предел, чтобы холодный молекулярный водород начал сжиматься и превращаться в звезды. Зависимость массы гало от времени ученые взяли из более старой работы, скорость притока обычной материи они оценили так же, как в другой статье.
В результате оказалось, что чем больше красное смещение, тем реже образуются черные дыры (по стандартному сценарию), и тем реже мы должны регистрировать их слияния, а начиная со смещения z = 40 регистраций быть вообще не должно. В более древние времена вещество не могло коллапсировать в дыры, и сливаться было просто нечему. С другой стороны, в те времена могли образоваться первичные черные дыры, и если мы поймаем волны с бóльшим красным смещением, это будет хорошим аргументом в пользу их существования.
Стоит отметить, что в данной работе физики сделали два существенных приближения, которые сильно упростили их расчеты. Во-первых, они считали, что образование и слияние черных дыр происходит мгновенно. Другими словами, газ и пыль мгновенно сжимаются в звезды, которые сразу же коллапсируют в черные дыры, а затем получившаяся двойная система немедленно сливается в одну большую черную дыру, излучая гравитационные волны. Во-вторых, ученые предполагали, что все вещество, пойманное в скоплениях темной материи, неизбежно превращается в черные дыры. Конечно, в действительности вещество расходуется не так «эффективно», однако учет этих поправок приводит только к менее слабым ограничениям на красное смещение.
Таким образом, физики заключают, что если мы зарегистрируем гравитационные волны от слияния двух черных дыр с красным смещением z > 40, это укажет либо на существование первичных черных дыр, либо на то, что в те времена все-таки были звезды. В любом случае, это открытие оказало бы огромное влияние на развитие космологии. На данный момент точности детекторов для этого не достаточно, однако ожидается, что такие события можно будет зарегистрировать с помощью детектора гравитационных волн следующего поколения (Космического исследователя, Cosmic Explorer).
На данный момент астрономам удалось заглянуть примерно на 13,4 миллиарда лет в прошлое Вселенной — так, галактика UDFj-39546284 имеет красное смещение около z = 12. А самая древняя (то есть самая далекая от нас) спиральная галактика имеет красное смещение около z = 2,5.
По информации https://nplus1.ru/news/2017/12/04/black-waves
Обозрение "Terra & Comp".
