Первые звезды Вселенной появились спустя несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Они существенно отличались от современных звезд: их вещество практически состояло только из водорода и гелия, поскольку тяжелые элементы еще не успели накопиться в космосе. Эти звезды принято относить к населению III — Population III, или Pop III.
Многие из них, вероятно, были очень массивными и прожили сравнительно недолго. После завершения эволюции часть таких звезд могла коллапсировать в черные дыры. Если две подобные черные дыры образовали двойную систему и впоследствии слились, такое событие должно было породить гравитационные волны. Проблема заключается в том, что сигнал от столь древнего события чрезвычайно трудно зарегистрировать и правильно интерпретировать.
Расчеты показывают, что будущие наземные гравитационные обсерватории нового поколения смогут значительно расширить возможности поиска таких объектов. В частности, совместная работа планируемых детекторов Einstein Telescope и Cosmic Explorer потенциально позволит исследовать слияния черных дыр на красных смещениях, недоступных нынешнему поколению обсерваторий. Моделирование показывает, что при достаточно низкой нижней границе чувствительности детекторов ученые смогут не только обнаруживать очень далекие слияния, но и оценивать свойства черных дыр, которые могли быть остатками первых звезд.
Почему первые черные дыры так важны для истории Вселенной
Первые звезды появились в необычных условиях
После Большого взрыва Вселенная в основном состояла из водорода и гелия. Более тяжелых элементов, которые сегодня широко распространены в звездах, планетах и межзвездном веществе, тогда практически не было. Они начали появляться позже, в результате ядерных реакций внутри звезд и взрывов сверхновых.
Поэтому первые звезды формировались из гораздо более простого исходного материала. Они получили обозначение Population III. Их свойства пока известны в основном теоретически: непосредственно наблюдать отдельные звезды этого поколения пока не удалось.
Считается, что среди них могли быть очень массивные объекты — значительно тяжелее Солнца. Масса таких звезд имела принципиальное значение для их последующей судьбы. Некоторые из них могли завершать жизнь гравитационным коллапсом и оставлять после себя черные дыры. Именно эти остатки представляют особый интерес для гравитационной астрономии.
Первые звездные черные дыры важны не только сами по себе. Они могли стать исходным материалом для дальнейшего роста черных дыр в ранней Вселенной. Сегодня астрономы наблюдают сверхмассивные черные дыры уже на очень больших космологических расстояниях, то есть в эпохи, когда Вселенная была значительно моложе современной. Их существование создает вопрос о том, каким образом за относительно короткое космическое время могли сформироваться настолько массивные объекты.
Изучение черных дыр, оставшихся после первых звезд, могло бы помочь восстановить один из этапов этой цепочки.
Почему нынешние детекторы не видят самые ранние слияния
Гравитационные волны стали новым способом наблюдения Вселенной после первого прямого обнаружения в 2015 году. Наземные обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA уже зарегистрировали большое число слияний компактных объектов, прежде всего черных дыр. Однако возможности таких установок ограничены диапазоном частот, в котором они способны уверенно регистрировать сигнал.
Для поиска самых ранних черных дыр этого недостаточно. Согласно расчетам, наиболее удаленное зарегистрированное нынешним поколением детекторов слияние двойных черных дыр произошло при красном смещении около 1,1, что соответствует расстоянию по светимости порядка 8 миллиардов световых лет. Этого недостаточно, чтобы заглянуть в эпоху существования первых звезд.
Здесь важно учитывать не только огромное расстояние. За время распространения гравитационной волны сама Вселенная продолжает расширяться. В результате сигнал от очень далекого источника приходит к Земле измененным: его характерные частоты становятся ниже, а измеряемые параметры источника оказываются связанными с космологическим растяжением сигнала.
Поэтому для исследования ранней Вселенной нужны детекторы, способные работать с более низкими частотами и одновременно обеспечивать существенно более высокую чувствительность.
Что изменят Einstein Telescope и Cosmic Explorer
Следующее поколение наземных гравитационных обсерваторий должно значительно расширить диапазон наблюдений. В рассматриваемом исследовании анализировалась сеть из двух будущих установок — Einstein Telescope и Cosmic Explorer.
Cosmic Explorer
Cosmic Explorer — планируемая американская гравитационная обсерватория. По проекту она будет иметь L-образную конфигурацию, напоминающую принципиальную схему LIGO, но с плечами длиной до 40 километров.
Такое увеличение масштаба установки должно существенно повысить чувствительность к крайне малым изменениям расстояний, вызываемым прохождением гравитационных волн. Однако для исследования самых древних слияний важен не только размер детектора. Ключевую роль играет способность регистрировать более низкие частоты сигнала.
Einstein Telescope
Einstein Telescope — планируемая европейская обсерватория нового поколения. Ее предполагается разместить под землей, а геометрия установки будет треугольной, с характерным размером около 10 километров.
Подземное расположение должно помочь снизить влияние некоторых источников земного шума, мешающих регистрации чрезвычайно слабых гравитационных сигналов. В сочетании с высокой чувствительностью это позволит исследовать гораздо более широкий набор источников, чем современные установки.
Особенно важным преимуществом будущей сети станет возможность одновременно использовать данные двух разных обсерваторий. Совместное наблюдение позволяет лучше определить свойства источника и его положение на небе.
Почему несколько герц могут иметь огромное значение
Одним из центральных результатов моделирования стало значение нижней границы рабочего диапазона детектора. Исследователи рассмотрели два варианта: чувствительность начиная примерно с 10 Гц и более оптимистичный вариант с нижней границей около 5 Гц. На первый взгляд разница кажется небольшой, но для гравитационно-волнового сигнала она принципиальна.
Когда две черные дыры сближаются, их орбитальное движение ускоряется, а частота создаваемых ими гравитационных волн возрастает. Поэтому наблюдение на более низких частотах означает, что детектор начинает «слышать» систему раньше, еще до последних мгновений перед слиянием.
Если чувствительность начинается только около 10 Гц, от некоторых чрезвычайно далеких событий можно получить лишь короткий участок заключительной стадии. При чувствительности до 5 Гц наблюдаемая часть сигнала становится значительно длиннее. В ней могут присутствовать несколько полных орбитальных циклов перед непосредственным слиянием.
Для астрономов это принципиальная разница. Чем больше информации содержится в сигнале до слияния, тем больше параметров двойной системы можно определить и тем надежнее отделить действительно древнее событие от другого слияния, которое из-за космологического растяжения выглядит похожим.
Расширение Вселенной меняет вид древнего сигнала
Гравитационные волны не остаются неизменными во время путешествия через расширяющуюся Вселенную. По мере ее расширения длина волны увеличивается, а наблюдаемая частота уменьшается.
Одновременно возникает важный эффект при определении массы черных дыр. Наблюдаемая излученная системой характеристика связана с так называемой красносмещенной массой. Поэтому очень далекое слияние может выглядеть для земного детектора так, будто в нем участвовали значительно более массивные черные дыры, чем это было на самом деле в системе отсчета источника.
В приведенном моделировании показан наглядный пример. Пара черных дыр с физическими массами примерно по 30 масс Солнца, слившаяся в очень ранней Вселенной, из-за космологического растяжения сигнала могла бы восприниматься детектором как система с гораздо большей наблюдаемой массой — порядка 1100 масс Солнца.
Именно поэтому простого обнаружения сигнала недостаточно. Необходимо определить его красное смещение и восстановить свойства источника в системе отсчета, связанной с самой черной дырой.
Как исследователи проверяли возможности будущих обсерваторий
Для оценки возможностей Einstein Telescope и Cosmic Explorer использовалось не простое приближение, а полностью байесовское моделирование. Исследователи построили астрофизически мотивированную модель остатков звезд населения III и рассмотрели двойные черные дыры при красных смещениях от 15 и выше.
Это важно, поскольку свойства древних черных дыр нельзя надежно оценивать только по упрощенному набору искусственных сигналов. Реальные двойные системы могут иметь разные массы, вращение и геометрию движения. Все эти параметры влияют на форму гравитационной волны.
В расчетах сравнивались два варианта нижней границы чувствительности сети — 5 и 10 Гц. Результаты показали, что переход к более низким частотам особенно заметно улучшает определение красного смещения для систем, в которых вращение черных дыр меняется относительно направления орбитального движения.
Это позволяет не просто повысить вероятность обнаружения древнего события, но и получить больше информации о его происхождении.
Насколько точно можно будет измерять массу древних черных дыр
Одним из наиболее интересных результатов стало то, что при благоприятных условиях исходные, то есть физические, массы компонент двойной системы могут быть измерены в среднем с точностью примерно до 12%.
Для космологии это имеет большое значение. Масса черной дыры — один из ключевых параметров при реконструкции ее происхождения и последующей эволюции.
Если будущие наблюдения обнаружат популяцию черных дыр с определенными диапазонами масс на очень больших красных смещениях, ученые смогут сравнить ее с моделями эволюции первых звезд. Это позволит проверять различные сценарии формирования первых черных дыр и их дальнейшего роста.
При этом результаты моделирования не означают, что такие объекты уже обнаружены. Исследование показывает, какую информацию можно будет получить в будущем при наличии соответствующих детекторов и подходящих гравитационных сигналов.
Почему особенно важна нижняя граница в 5 Гц
Более низкая рабочая частота дает еще одно преимущество — улучшает определение расстояния и положения источника.
В моделировании событие с истинным красным смещением около 19,8 при конфигурации с чувствительностью от 5 Гц могло быть уверенно отнесено к области выше красного смещения 18,5 на уровне 90-процентной достоверности. Для варианта с нижней границей 10 Гц соответствующая нижняя граница достигала примерно 17,5.
Иными словами, несколько дополнительных герц позволяют не просто получить более длинную часть сигнала. Они помогают надежнее определить, насколько далеко во времени и пространстве произошло событие.
Для изучения первых поколений звезд это особенно важно, поскольку необходимо отличать действительно древние источники от более поздних слияний, чьи сигналы были дополнительно изменены космологическим красным смещением.
Можно ли будет определить место слияния
Гравитационные детекторы не дают изображения черной дыры в привычном смысле. Они регистрируют изменения пространства-времени, по которым затем восстанавливаются параметры источника.
Однако по различиям между сигналами, зарегистрированными в разных обсерваториях, можно определить область неба, из которой пришла гравитационная волна. Чем лучше измерены параметры сигнала, тем меньше может быть эта область.
Моделирование показывает, что для части наиболее интересных событий будущая сеть сможет существенно улучшить локализацию. В исходном анализе отмечается, что примерно для 60% рассматриваемых случаев положение источника потенциально удастся ограничить областью порядка 60 квадратных градусов или меньше.
Это все еще огромная область по меркам обычной астрономической съемки. Однако она уже может быть полезна для совместного анализа с другими наблюдениями.
Гравитационные волны можно будет сопоставлять с другими наблюдениями
Особенно интересным направлением станет объединение гравитационных данных с наблюдениями в других диапазонах электромагнитного спектра.
Одним из возможных инструментов для такого сопоставления является будущий радиоинструмент Square Kilometre Array. Радионаблюдения могут дать информацию о распределении нейтрального водорода и других структурах ранней Вселенной.
Если удастся достаточно точно определить область, откуда пришло гравитационное событие, ее можно будет сравнить с независимыми картами вещества. Это даст возможность изучать не только сами черные дыры, но и среду, в которой они формировались и росли.
Такой подход особенно важен для космологии: гравитационная волна сообщает о компактном объекте и его динамике, а электромагнитные наблюдения могут раскрывать свойства окружающего вещества. Вместе эти данные способны дать гораздо более полную картину ранней Вселенной.
Что такие наблюдения расскажут о первых сверхмассивных черных дырах
Сверхмассивные черные дыры наблюдаются уже в очень ранней Вселенной, и их существование остается одной из важных проблем современной астрофизики. Чтобы достичь огромных масс за относительно короткое время, они должны были либо начинать рост с достаточно массивных зародышей, либо на ранних этапах наращивать массу очень быстро, либо эффективно объединяться с другими черными дырами.
Наблюдения остатков первых звезд могут дать важную информацию о начальных условиях этого процесса.
Если будущие детекторы смогут измерить массу и другие параметры большого числа древних черных дыр, ученые получат возможность сравнить реальное распределение объектов с предсказаниями разных моделей. Это позволит проверять, насколько быстро черные дыры могли расти в ранних галактиках и какую роль в этом играли слияния.
При этом сами гравитационные волны не обязаны непосредственно показывать путь от первых звезд к сверхмассивным черным дырам. Они дадут отдельные наблюдаемые точки, по которым можно будет проверять общую картину их эволюции.
Пока это прогноз, а не обнаружение
Несмотря на впечатляющие возможности, речь пока идет о моделировании будущих наблюдений. Einstein Telescope и Cosmic Explorer еще не являются действующими обсерваториями, а обнаружение конкретных черных дыр населения III пока не состоялось.
Кроме того, даже чрезвычайно чувствительный детектор не сможет автоматически определить, что каждое далекое слияние связано именно с первой звездной популяцией. Для этого потребуется одновременно восстановить красное смещение, массы, вращение и другие параметры источника и сравнить их с астрофизическими моделями.
Особенно важным будет статистический подход. Один необычный объект вряд ли сможет окончательно решить вопрос о происхождении древних черных дыр. Гораздо убедительнее будет обнаружение целой популяции событий с характеристиками, соответствующими ожидаемым остаткам первых звезд.
Именно поэтому повышение чувствительности в низкочастотной области имеет такое значение: оно увеличивает объем информации, который можно извлечь из каждого сигнала.
Новый способ исследовать эпоху первых звезд
Современная астрономия уже получает изображения галактик, существовавших в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва, однако прямое изучение отдельных первых звезд остается чрезвычайно сложной задачей. Их свет крайне слаб и сильно удален во времени от современного наблюдателя.
Гравитационные волны открывают другой путь. Если черные дыры, оставшиеся после первых звезд, образовывали двойные системы и сливались, их сигналы могли сохраняться в пространстве-времени на протяжении миллиардов лет. Для регистрации этих сигналов требуется не увидеть сами звезды, а измерить чрезвычайно слабое изменение расстояний, вызываемое прохождением гравитационной волны.
Расчеты для Einstein Telescope и Cosmic Explorer показывают, что будущая гравитационно-волновая астрономия сможет значительно приблизиться к этой задаче. Особенно перспективной оказывается чувствительность на частотах ниже 10 Гц: она позволяет наблюдать более ранние стадии слияния, точнее восстанавливать свойства источника и лучше определять его космологическое положение.
Если будущие обсерватории будут построены и достигнут запланированных характеристик, гравитационные волны могут стать новым инструментом исследования первых поколений звезд. Тогда историю самых ранних черных дыр можно будет изучать не только по свету древних галактик, но и по сигналам от их гравитационных взаимодействий — буквально по следам процессов, происходивших на заре формирования космических структур.
Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com
