Тихий гул космоса: что скрывается за гравитационными волнами

Бывало такое, что в комнате стоит полная тишина — и вдруг начинаешь слышать, как гудит здание? Оказывается, у Вселенной есть своя версия такой «тишины» — фон гравитационных волн, который пронизывает пространство, словно сердцебиение космоса. И ученые только сейчас начинают понимать, что именно его вызывает.

А тут начинается самое интересное. Новые исследования говорят: часть этого космического гула может быть эхом событий, произошедших больше 13 миллиардов лет назад. Когда Вселенная была ещё младенцем. Речь идёт о самых первых поколениях сверхмассивных чёрных дыр — тех, что родились из самых древних и необычных звёзд.

А что, если звёзды работали на тёмной материи?

Давайте разберёмся, потому что это действительно впечатляет. Мы все знаем, как устроены обычные звёзды — по сути, это гигантские реакторы термоядерного синтеза. Они сталкивают атомы водорода, превращая их в гелий, и выделяют колоссальную энергию.

Но что, если в ранней Вселенной существовал совершенно другой тип звёзд?

Их называют тёмными звёздами (Dark Stars). Их источник энергии — не ядерный синтез, как у нашего Солнца, а тёмная материя. Та самая загадочная субстанция, из которой, по оценкам, состоит около 27% Вселенной, но которую никто никогда не видел напрямую.

Вот что в этом удивительного: если частицы тёмной материи аннигилируют внутри такой звезды (теоретически это возможно при определённых условиях), они выделяют достаточно энергии, чтобы звезда светилась без всякого ядерного синтеза. А поскольку «нагрев» от тёмной материи работает иначе, эти звёзды могут раздуваться до невероятных размеров — потенциально в миллионы раз больше нашего Солнца.

При чём тут гравитационные волны?

Отличный вопрос. Гравитационные волны — это рябь в самой ткани пространства-времени. Представьте себе пруд, в который бросили камень. По поверхности расходятся круги. Примерно то же самое происходит в космосе, когда чрезвычайно массивные объекты ускоряются — например, когда две чёрные дыры вращаются друг вокруг друга и в конце концов сливаются.

Для поиска таких волн учёные используют пульсарные временные массивы. Пульсары — это быстровращающиеся нейтронные звёзды, работающие как космические метрономы. Они отправляют радиоимпульсы с невероятной точностью. Когда гравитационная волна проходит через такой пульсар, моменты прихода импульсов на Землю слегка смещаются.

Это невероятно тонкий эффект — словно измерять ширину атома по сравнению с расстоянием между звёздами. Но астрономы научились это делать.

Исследователи зафиксировали фон гравитационных волн — нечто вроде космического гула. Скорее всего, его создают миллиарды пар сверхмассивных чёрных дыр, населяющих историю Вселенной. Стандартное объяснение: мы слышим «хор» гравитационных волн от слияний чёрных дыр, растянувшийся на миллиарды лет.

Ключевой вопрос: откуда взялись эти чёрные дыры?

Вот где исследования становятся по-настоящему увлекательными. Учёные задались вопросом: могут ли сверхмассивные чёрные дыры, сформировавшиеся в ранней Вселенной, со временем породить тот самый гравитационно-волновой фон, который мы сейчас регистрируем? Конкретно — могли ли чёрные дыры, родившиеся из тёмных звёзд, быть предками тех, что создают наблюдаемые волны?

Ответ, похоже, положительный. И это может оказаться важной частью общей картины.

Исследователи смоделировали эволюцию этих древних чёрных дыр. Они росли вместе со своими галактиками, иногда объединялись с другими чёрными дырами, сливались — и в процессе генерировали гравитационные волны. Если в ранней Вселенной существовало достаточно много остатков тёмных звёзд, их потомки могли бы объяснить существенную долю регистрируемого сейчас гравитационно-волнового сигнала.

Почему это важно

Это значимо по нескольким причинам.

Во-первых, здесь связываются две области астрономии, которые не всегда друг с другом общаются: наука о гравитационных волнах и космология ранней Вселенной. Мы буквально используем слияния чёрных дыр, происходящие сейчас, чтобы узнать, что существовало 13 миллиардов лет назад.

Во-вторых, это потенциальное решение одной из самых головоломных загадок астрономии: как сверхмассивные чёрные дыры стали такими огромными так быстро? Космический телескоп Джеймс Уэбб нашёл чёрные дыры, которые уже были гигантскими, когда Вселенной было всего ничего. Объяснить, как они успели так вырасти, никак не получалось. Тёмные звёзды могут дать ответ: их «тёмно-материальное топливо» позволяло набирать массу куда быстрее, чем обычным звёздам.

В-третьих, это совершенно новый способ изучения ранней Вселенной. Вместо того чтобы полагаться только на свет (у него есть свои пределы при взгляде в прошлое), мы сможем использовать гравитационные волны как совершенно новую «линзу» для космической истории.

Что дальше?

Исследование показывает, что текущие измерения гравитационных волн могут рассказать нам кое-что о том, насколько распространёнными были эти древние «затравки» для чёрных дыр. Звучит безумно — но мы используем рябь пространства-времени, чтобы сосчитать объекты, сформировавшиеся, когда Вселенной было меньше миллиарда лет.

Конечно, это пока теория. Тёмные звёзды остаются гипотетическими объектами. Нужно ещё много работы, чтобы подтвердить: именно они генерируют космический гул.

Но сам факт, что мы вообще можем задавать такие вопросы? Это именно то, что делает астрономию бесконечно увлекательной.

Вселенная всегда посылала нам сигналы. Мы просто учимся их читать.