Новое поколение детекторов гравитационных волн может дать астрономам способ проверить, как выглядели самые ранние черные дыры во Вселенной. Phys.org пересказывает исследование группы N. V. Krishnendu из Бирмингемского университета: авторы смоделировали, смогут ли будущие обсерватории уловить слияния остатков звезд Population III, которые жили через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Звезды Population III должны были состоять почти только из водорода и гелия. Из-за малого содержания тяжелых элементов они могли вырастать в десятки и сотни солнечных масс, быстро завершать жизнь и оставлять черные дыры. Если такие черные дыры образовывали пары, их слияния запускали гравитационные волны, но сигнал от эпохи более 13,5 миллиарда лет назад сильно растягивается расширением Вселенной.
Именно это делает задачу сложной для нынешних LIGO, Virgo и KAGRA. Они уже зарегистрировали сотни событий, но не рассчитаны на уверенную работу с такими далекими и низкочастотными сигналами. В статье рассматриваются будущие проекты Cosmic Explorer в США и Einstein Telescope в Европе. Первый планируется как L-образная установка с плечами до 40 километров, второй как подземный треугольный интерферометр с 10-километровыми сторонами.
Ключевой параметр в моделировании — нижняя частота чувствительности. Детектор, который начинает уверенно работать с 10 герц, видит главным образом последние секунды сближения и затухание после слияния. Вариант с порогом 5 герц успевает захватить несколько орбитальных циклов до столкновения. Это помогает отличить древнее слияние, растянутое космологическим красным смещением, от более близкой обычной пары черных дыр.
По оценке авторов, связка Einstein Telescope и Cosmic Explorer сможет не только обнаруживать такие события, но и восстанавливать физические массы ранних черных дыр примерно с точностью до 12 процентов. В части случаев небо удастся локализовать примерно до 60 квадратных градусов. Это достаточно грубо для немедленного поиска одного объекта, но полезно в сочетании с крупными обзорами и радиотелескопами вроде SKA, которые будут картировать нейтральный водород в ранней Вселенной.
Практический смысл работы в том, что первые черные дыры остаются одним из главных недостающих звеньев космологии. Если будущие детекторы подтвердят их массу и частоту слияний, у исследователей появится независимый способ понять, как быстро росли черные дыры и почему очень массивные объекты появились так рано в истории космоса.
