Согласно результатам недавнего исследования, ученые предполагают, что черные дыры, сформировавшиеся из гипотетических «темных звезд», могли быть одним из основных источников слабого гравитационного сигнала, который фиксируется современными научными приборами.

Несмотря на то, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) присутствуют в центрах большинства крупных галактик, их формирование остается предметом дискуссий. Особенно сложным для объяснения являются объекты, появившиеся в эпоху, когда возраст Вселенной составлял всего несколько сотен миллионов лет. В связи с тем, что космическая обсерватория «Джеймс Уэбб» позволила обнаружить выявилинесколько подобных черных дыр (ЧД), исследователи приступили к поиску их «прототипов», которые должны обладать значительно большей массой, чем предсказывают существующие теоретические модели.

Один из вариантов — так называемые темные звездыЭти прототипы – гипотетические объекты, потенциально существовавшие в ранней Вселенной внутри небольших скоплений темной материи (ТМ). В отличие от обычных звезд, они выделяли энергию преимущественно за счет аннигиляции частиц ТМ. Это позволяло им сохранять большие размеры и увеличивать массу до миллионов солнечных масс, впоследствии трансформируясь в сверхмассивные черные дыры.

Тем не менее, необходимо отметить отсутствие на текущий момент каких-либо подтверждений гипотезы о том, что темная материя состоит состоит из частиц. Вместе с тем, научное сообщество практически единодушно в признании существования темной материи: именно ее гравитационное влияние обеспечивает удержание галактик в едином состоянии.

Авторы научной работы, опубликованной в журнале Physical Review D, приняли решение исследовать возможность выявления отпечатков подобного развития событий спустя миллиарды лет. В рамках этого исследования была разработана модель, описывающая эволюцию первых черных дыр.

На первом этапе исследователи определили примерное количество таких объектов, которые могли сформироваться в период от 100 до 500 миллионов лет после Большого взрыва. После чего они проанализировали процесс роста черных дыр на фоне увеличения родительского гало темной материи. Процесс аккреции вещества для моделирования роста черных дыр был основным механизмом.

Дальнейшим этапом развития событий является слияние. При столкновении галактик и их гало, находящиеся в центрах ЧД со временем могут сформировать двойную систему и впоследствии объединиться. Этот процесс генерирует гравитационные волны — рябь в пространстве-времени, возникающую вследствие ускоренного движения массивных объектов, таких как слияние черных дыр. Если существует множество подобных пар, их совокупный сигнал формирует общий гравитационно-волновой фон.

С целью оценки гравитационного фона, создаваемого подобными объектами, ученые сопоставили свои вычисления с сигналом, который ищут при помощи метода PTA (Pulsar Timing Array) — наблюдений за пульсарами. Последние излучают регулярные радиосигналы, и исследователи проводят точную фиксацию времени их поступления на Землю. Однако проходящие гравитационные волны способны незначительно изменять время прибытия этих импульсов.

Полученные расчеты продемонстрировали, что если темные звезды формировались в ранней Вселенной достаточно часто, образовавшиеся после коллапса ЧД могли стать ощутимым источником гравитационных волн. В определенных обстоятельствах их потомки — сверхмассивные черные дыры — потенциально могли внести существенный вклад в наблюдаемый сигнал и даже выступить его основным генератором. Особую роль, согласно модели, играли бы пары ЧД с общей массой, превышающей миллиард солнечных масс.

Для альтернативного сценария – прямого коллапса крупных газовых облаков – результаты оказались значительно менее выраженными. По оценкам, такие ЧД возникают слишком редко, чтобы оказать заметное воздействие на наблюдаемый гравитационный фон.

Согласно выводам авторов исследования, их работа не содержит доказательств существования темных звезд и не рассматривает их как причину возникновения сигнала. Подчеркивается, что представленный сценарий носит гипотетический характер: он постулирует, что темная материя (ТМ) состоит из вимпов — частиц, о существовании которых ранее было заявлено без подтверждения.

Таким образом, концепция темных звезд представляет собой лишь одну из потенциальных интерпретаций того, как в ранней Вселенной космические структуры сверхмассивной массы (СМЧД) смогли достичь колоссальных масштабов. Существуют и другие гипотезы, рассматриваемые научным сообществом: прямой коллапс газовых облаков, черные дыры, образовавшиеся из первых звезд, а также первичные черные дыры.