Первичные чёрные дыры: аккреция повышает шансы на регистрацию гравитационных волн

Международная группа астрофизиков представила результаты моделирования, показывающие, что аккреция барионов (обычной материи) в эпоху после рекомбинации существенно увеличивает частоту слияний первичных чёрных дыр (ПЧД) в вириализованных гало тёмной материи. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.

Первичные чёрные дыры — гипотетические объекты, которые могли образоваться в ранней Вселенной из коллапсирующих флуктуаций плотности. В отличие от звёздных чёрных дыр, ПЧД могут иметь широкий диапазон масс и составлять часть тёмной материи. Слияния таких дыр порождают гравитационные волны, которые регистрируют обсерватории LIGO, Virgo и KAGRA.

Авторы рассмотрели два сценария аккреции — модель Бонди-Хойла-Литтлтона (BHL) и модель Парка-Рикотти (PR), которые описывают разные режимы захвата газа чёрными дырами. Оказалось, что аккреция приводит к значительному росту массы отдельных ПЧД и изменяет их массовую функцию, что напрямую влияет на вероятность формирования двойных систем и их слияние.

Особенно сильное увеличение частоты слияний обнаружено для так называемого позднего трёхтельного канала, который ранее считался второстепенным. При задержке вириализации гало до красного смещения z<10 частота слияний оказывается совместимой с текущими ограничениями по детектированию двойных чёрных дыр из наблюдений LVK.

Выяснилось также, что аккреция приводит к росту частоты слияний двойных с сильно асимметричными массами. Такие события могут быть особенно интересны для будущих обсерваторий, так как дают уникальную возможность проверить модели образования и эволюции ПЧД.

Исследователи оценили ожидаемое число детектирований для китайского космического гравитационно-волнового интерферометра TianQin. Для модели BHL прогнозы оптимистичны даже при чрезвычайно малой доле ПЧД в тёмной материи (f~10^{-6}). Это делает TianQin перспективным инструментом для поиска первичных чёрных дыр.

Результаты подчёркивают важность учёта аккреции при моделировании популяций ПЧД и их вклада в сигналы гравитационных волн. Дальнейшие исследования на эту тему помогут уточнить, какую долю тёмной материи могут составлять первичные чёрные дыры, и как их обнаружить с помощью существующих и будущих детекторов.