Хотя сверхмассивные черные дыры (СМЧД) расположены в центрах большинства крупных галактик, их происхождение по-прежнему не ясно. Особенно трудно объяснить объекты, что существовали, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Поскольку наблюдения, выполненные с помощью космической обсерватории «Джеймс Уэбб», выявили несколько таких черных дыр (ЧД), ученые начали искать их «зародыши», которые должны быть много «тяжелее», чем предсказывают модели.
Один из вариантов — так называемые темные звезды — гипотетические объекты, которые могли появиться в ранней Вселенной внутри небольших скоплений темной материи (ТМ). В отличие от обычных светил, их энергия выделялась в основном при аннигиляции частиц ТМ. Благодаря этому они могли долго оставаться большими и набирать массу вплоть до миллионов масс Солнца, впоследствии превращаясь в сверхмассивные черные дыры.
Здесь, однако, следует оговориться: на сегодня нет никаких доказательств того, что темная материя состоит из частиц. При этом в существовании ТМ ученые почти не сомневаются: именно ее гравитационное воздействие на галактики удерживает их вместе.
Авторы научной работы, опубликованной в журнале Physical Review D, решили проверить, можно ли обнаружить след такого сценария спустя миллиарды лет. Для этого они построили модель эволюции ранних ЧД.
Сначала ученые задали, сколько таких объектов могло появиться в первые 100-500 миллионов лет после Большого взрыва. Затем проследили, как образовавшиеся из них ЧД росли вместе с родительским гало темной материи. Рост черных дыр моделировали в основном за счет поглощения окружающего вещества.
Следующим шагом стало слияние. Когда галактики и их гало сталкиваются, расположенные в центре ЧД со временем также могут образовать двойную систему и слиться. Это событие порождает гравитационные волны — колебания пространства-времени, возникающие при ускоренном движении массивных объектов, например при слиянии черных дыр. Если подобных пар много, их суммарный сигнал складывается в общий гравитационно-волновой фон.
Чтобы понять, какой гравитационный фон должны создавать такие объекты, исследователи сравнили свои расчеты с сигналом, который ищут с помощью метода PTA (Pulsar Timing Array) — наблюдений за пульсарами. Последние испускают регулярные радиоимпульсы, и ученые точно отслеживают время их прихода на Землю. Правда, проходящие гравитационные волны могут немного менять время прихода этих импульсов.
Расчеты показали, что если темные звезды возникали в ранней Вселенной достаточно часто, образовавшиеся после их коллапса ЧД могли стать заметным источником гравитационных волн. При определенных условиях их потомки — сверхмассивные черные дыры — могли дать значительную часть наблюдаемого сигнала и даже стать его главным источником. Особенно большой вклад, согласно модели, вносили бы пары ЧД общей массой более миллиарда масс Солнца.
Для другого сценария — прямого коллапса больших газовых облаков — результат был много слабее. Такие ЧД, по расчетам, возникали слишком редко, чтобы заметно повлиять на наблюдаемый гравитационный фон.
Авторы исследования отметили, что их работа не доказывает существование темных звезд и не подтверждает их как источник сигнала. Более того, сам сценарий остается гипотетическим: он предполагает, что ТМ состоит из вимпов — частиц, существование которых, как уже говорилось выше, не подтверждено.
Поэтому темные звезды — лишь один из возможных вариантов объяснения того, как в ранней Вселенной СМЧД успели вырасти до огромных размеров. Другие исследователи рассматривают и альтернативные сценарии: например, прямой коллапс газовых облаков, черные дыры, возникшие из первых звезд и первичные ЧД.