В феврале 2016 года ученые Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO) подтвердили, что они впервые измерили гравитационные волны (ГВ). Эти события происходят, когда массивные объекты, такие как нейтронные звезды и черные дыры, сливаются, создавая в пространстве-времени пульсации, которые можно обнаружить на расстоянии миллионов (и даже миллиардов) световых лет. С момента первого события более 100 событий ГВт были подтверждены LIGO, коллаборацией Advanced VIRGO и детектором гравитационных волн Камиока (KAGRA).
Кроме того, ученые нашли множество применений астрономии ГВ: от изучения недр сверхновых и нейтронных звезд до измерения скорости расширения Вселенной и изучения того, как она выглядела через минуту после Большого взрыва. В недавнем исследовании международная группа астрономов предложила еще одно применение слияния двух черных дыр: использование самых ранних слияний во Вселенной для изучения первого поколения звезд (Население III) во Вселенной. Моделируя развитие событий, они определили, какой тип сигналов ГВ сможет наблюдать планируемый телескоп Эйнштейна (ET) в ближайшие годы.
Исследование возглавил Боюань Лю, научный сотрудник Центра астрономии Гейдельбергского университета (ZAH) и член кластера передового опыта STRUCTURES. К нему присоединились коллеги из ZAH и Института теоретической астрофизики Гейдельбергского университета, Кембриджского института астрономии, Института физики интеллекта, Парижского института астрофизики, Лионского исследовательского центра астрофизики и Научный институт Гран-Сассо (GSSI), Институт космологии Кавли, Институт теоретической физики Вайнберга и несколько университетов.
От космической тьмы до рассвета
Звезды популяции III образовались первыми во Вселенной примерно через 100–500 миллионов лет после Большого взрыва. В то время водород и гелий были наиболее распространенными формами материи во Вселенной, в результате чего звезды были очень массивными и практически не содержали металлов (низкая металличность). Эти звезды также были недолговечными: они существовали всего от 2 до 5 миллионов лет, прежде чем исчерпали свое водородное топливо и превратились в сверхновую. В этот момент более тяжелые элементы, созданные в их ядрах (литий, углерод, кислород, железо и т. д.), были распределены по всему космосу, в результате чего появились звезды Населения II и I с более высоким содержанием металличности.
Астрономы и космологи называют этот период «Космическими сумерками», потому что эти первые звезды и галактики завершили предыдущие «Космические темные века». Как Лю объяснил Universe Today по электронной почте, свойства звезд Поп-III были чувствительны к особым условиям Вселенной во время Космических Сумерек, которые сильно отличались от сегодняшних условий. К ним относится наличие гало темной материи, которые, по мнению ученых, сыграли решающую роль в формировании первых галактик:
«Время формирования звезд Pop III отражает темпы формирования ранних структур, которые могут рассказать нам кое-что о природе темной материи и гравитации. В стандартной модели космологии формирование космических структур происходит снизу вверх, начиная с небольших гало, которые затем перерастают в более крупные гало путем аккреции и слияния. Ожидается, что звезды Pop III будут массивными (> 10 масс Солнца, до 1 миллиона солнечных масс, тогда как сегодняшние звезды имеют среднюю массу ~ 0,5 солнечных масс). Многие из них взорвутся как сверхновые или станут массивными черными дырами (ЧД), когда у них закончится топливо для ядерного синтеза».
Считается, что эти черные дыры Pop III являются источником первых сверхмассивных черных дыр (СМЧД) во Вселенной. Как показали астрономы, сверхмассивные чёрные дыры играют важную роль в эволюции галактик. Они не только поддерживают образование новых звезд и способствуют формированию галактик в ранней Вселенной, но также ответственны за звездообразование в галактиках примерно через 2–4 миллиарда лет после Большого взрыва, в эпоху, известную как «Космический полдень». », то есть зашел в тупик. Рост этих черных дыр и УФ-излучение, испускаемое звездами Поп-III, реионизировали нейтральный водород и гелий, пропитавшие раннюю Вселенную.
Это привело к крупному фазовому переходу, который положил конец космическим темным векам (примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва) и позволил Вселенной стать такой же «прозрачной», какой она является сегодня. Однако, как начался этот процесс, остается неясным, как пояснил Лю:
«В целом, звезды Поп III знаменуют начало космической эволюции от беззвездного (скучного) состояния к нынешнему состоянию с богатыми явлениями (реионизация, разнообразные популяции галактик с разными массами, морфологией и составом, а также квазары, питаемые за счет аккрецирующих сверхмассивных черных дыр). . Чтобы понять эту сложную эволюцию, важно охарактеризовать ее начальную фазу, в которой доминируют звезды Поп-III».
Исследование ранней Вселенной
Подтверждение существования гравитационных волн (ГВ) стало революционным для астрономов, и с тех пор было предложено множество приложений. В частности, ученые стремятся изучить первичные гравитационные волны, созданные в результате Большого взрыва, что станет возможным с помощью детекторов гравитационных волн следующего поколения, таких как космическая антенна лазерного интерферометра (LISA). Как пояснил Лю, существующие детекторы GW в первую очередь предназначены для изучения слияний двойных черных дыр (BBH). То же самое касается и детекторов, которые, как ожидается, будут построены в ближайшем будущем. Лю сказал:
«Излучение ГВ от двойной системы черных дыр сильнее, когда они расположены ближе друг к другу. Излучение ГВ отнимает энергию и угловой момент из системы, в результате чего две черные дыры со временем сближаются и в конечном итоге сливаются. Мы можем обнаружить сигнал ГВ только на финальной стадии, когда они вот-вот сольются. Время, необходимое для достижения финальной стадии, сильно зависит от начального расстояния между черными дырами. По сути, они должны сначала оказаться близко друг к другу (например, на расстоянии менее 10% расстояния Земля-Солнце для черных дыр с массой менее 10 солнечных), чтобы слиться и быть видимыми нами в нынешнем возрасте Вселенной».
Вопрос в том, как две черные дыры оказались настолько близко друг к другу, что в конечном итоге сливаются. В настоящее время астрономы полагаются на два эволюционных «канала» (группы физических процессов, работающих вместе) для моделирования этого процесса: изолированную двойную звездную эволюцию (IBSE) и динамическое упрочнение ядерных звездных скоплений (NSC-DH). Как отметил Лю, полученные в результате слияния BBH имеют разные характеристики по уровню слияний и свойствам в зависимости от канала, по которому они следуют. Они содержат ценную информацию о лежащих в основе физических процессах.
«Чтобы извлечь такую информацию и в полной мере использовать гравитацию в качестве исследования для астрофизики и космологии, необходимо знание эволюционных каналов», — добавил он.
Моделирование развития BBH
Чтобы определить, как черные дыры формируют двойные звезды, которые в конечном итоге сливаются, команда объединила оба канала в единую теоретическую структуру, основанную на полуаналитической модели Ancient Stars and Local Observables by Tracing Halos (A-SLOTH). Эта модель является первым общедоступным кодом, который связывает образование первых звезд и галактик с наблюдениями. «В целом A-SLOTH отслеживает тепловую и химическую эволюцию газа во время формирования, роста и слияния гало темной материи, включая звездообразование и влияние звезд на газ (звездная обратная связь) на промежуточном масштабе отдельных галактик/Halos — сказал Лю.
Они также использовали код Stellar EVolution for N-body (SEVN), чтобы предсказать, как двойные звезды эволюционируют в черные чёрные дыры. Затем они смоделировали орбиту каждой ЧД в соответствующих гало темной материи и во время слияния гало, что позволило им предсказать, когда некоторые ЧД объединятся. В других случаях ЧДД мигрируют к центрам своих галактик и становятся частью ядерного звездного скопления (НСК), где подвергаются возмущениям, выбросам и затвердеванию, вызванным гравитационным рассеянием. Отсюда они проследили эволюцию внутренних орбит двойных звезд до момента слияния или распада.
Обсерватории следующего поколения
Как объяснил Луи, их выводы имели важное теоретическое и наблюдательное значение:
«С теоретической стороны моя работа показала, что изолированный канал эволюции двойных звезд доминирует при высоких красных смещениях (менее 600 миллионов лет после Большого взрыва), а скорость слияния чувствительна к скорости образования и начальной статистике двойных звезд Поп III. Фактически, большинство (>84%) двойных звезд с ЧД, особенно самых массивных, изначально находятся слишком далеко, чтобы слиться в возрасте Вселенной, когда они развиваются изолированно. Но значительная часть (~45-64%) из них может сливаться путем динамической закалки при попадании в NPC. Эти предсказания полезны для выявления и интерпретации источников термоядерного синтеза в наблюдениях».
Что касается результатов наблюдений, они отметили, что предсказанное обнаружение слияний Pop III и BBH вряд ли будет обнаружено с помощью современных инструментов, таких как LIGO, Advance Virgo и KAGRA, которые обычно наблюдают слияния BBH ближе к Земле».[A]«Хотя слияния Pop III могут составлять значительную часть самых массивных черных дыр, обнаруженных на сегодняшний день (с черными дырами размером более 50 солнечных масс)», — сказал Лю. «Трудно многое узнать о звездах и галактиках Поп-3 в ранней Вселенной на основе существующих данных, потому что размер выборки обнаруженных массивных слияний слишком мал».
Однако детекторы следующего поколения, такие как телескоп Эйнштейна, смогут более эффективно обнаруживать эти отдаленные источники ГВ. После завершения инопланетянин позволит астрономам исследовать Вселенную через гравитационные волны вплоть до космических темных веков и предоставит информацию о самых ранних слияниях BBH, звездах Pop III и первых сверхмассивных черных дырах. «Моя модель предсказывает, что телескоп Эйнштейна может обнаруживать до 1400 слияний Pop III в год, что дает нам гораздо лучшую статистику, позволяющую сузить область соответствующей физики».
Статья, описывающая их результаты, была недавно опубликована в Интернете и в настоящее время готовится к публикации в Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества.
Дальнейшее чтение: arXiv
