暗星或留引力波信号可供当下探测

暗星是一类假设存在的天体，它们可能形成于宇宙早期，部分由暗物质产生的热量而非核聚变提供能量。如果它们确实存在，有些暗星可能在塌缩成大质量黑洞之前长得极为巨大，这或许有助于解释首批超大质量黑洞是如何在短时间内形成的（艺术概念图）。版权所有：SciTechDaily

一项研究表明，脉冲星计时阵列可能有助于揭示宇宙中首批超大质量黑洞的形成方式。

通过监测脉冲星网络探测到的极其低频引力波微弱背景，可能保留着130多亿年前开始发生的事件的线索。其中可能包括一些宇宙中最早的超大质量黑洞的形成过程。

科尔盖特大学的索汉戈德拉（SohanGhodla）和科斯明伊利耶（CosminIlie）在发表于《物理评论D》的一篇快报论文中探讨了这种可能性。他们的目标是确定早期宇宙中形成的超大质量黑洞最终是否能在很大程度上解释目前脉冲星计时阵列（PTA）所探测到的引力波背景。

这项分析将两个相隔数十亿年的观测结果联系起来：宇宙早期出现的意想不到的大质量黑洞，以及后来由双超大质量黑洞产生的引力波。

一种可能的起源尤为突出。研究人员发现，假想的超大质量暗星遗留的早期黑洞种子，可能会对目前观测到的脉冲星计时阵列（PTA）信号产生主要贡献。脉冲星计时阵列通常被视为探测相对较近宇宙中超大质量黑洞双星的工具，伊利说，我们的研究表明，该信号可能还包含有关那些黑洞的祖先在宇宙黎明时期如何形成的信息。从这个意义上说，如今观测到的引力波可能为首个超大质量黑洞的诞生提供一个新的视角。

脉冲星或可探测古老黑洞的起源

脉冲星计时阵列利用脉冲星作为遍布天空的精确时钟，脉冲星是快速旋转的中子星，其射电信号的到达具有极高的规律性。在脉冲星与地球之间传播的引力波会使这些脉冲的到达时间产生微小变化。通过多年对许多脉冲星的观测，全球的科研团队已发现了纳赫兹频率随机引力波背景的证据。

目前主流的天体物理学解释是，大量超大质量黑洞双星正在逐渐相互靠近并最终合并。质量超过太阳约十亿倍的系统在脉冲星计时阵列（PTA）频率上尤为重要。然而，它们的巨大体量引出了一个更深刻的问题：最初的黑洞种子是如何形成的？包括詹姆斯韦布空间望远镜和钱德拉X射线天文台在内的观测设施发现，宇宙历史早期就存在质量惊人的黑洞，这使得人们对能够快速产生大质量种子的机制愈发关注。

早期超大质量黑洞种子后代所预测的纳赫兹引力波背景。在黑洞源自塌缩的超大质量暗星的模型中，其产生的引力波背景能够达到脉冲星计时阵列所测量到的水平，而该研究中所考虑的更为稀少的直接塌缩黑洞群体产生的信号则要弱得多。

Ghodla和Ilie因此研究了这些古代种子是否能够存活，与它们的星系共同生长，最终与其他黑洞配对，并在数十亿年后产生被探测到的引力波背景。

他们研究了早期黑洞的两种可能形成途径：直接坍缩形成的黑洞和超大质量暗星坍缩产生的黑洞。

暗星是一类假想的原始恒星，其能量主要来自与暗物质相关的加热过程，而非传统的核聚变。在该研究考察的弱相互作用大质量粒子（WIMP）暗物质情景下，这些天体在持续吸积物质的过程中可以保持相对低温且体积庞大。它们有可能在坍缩成大质量黑洞之前，增长到太阳质量的一百万倍甚至更大。

暗星遗迹可能会主导信号

戈德拉和伊利模拟了由这些种子形成的黑洞在宇宙历史中的演化过程，包括围绕它们的晕、预期的合并率，以及这些合并所产生的引力波背景。他们的计算表明，如果超大质量暗星的遗迹数量密度约为每立方百万秒差距\(10^{3}\)个，那么它们的后代可能会对脉冲星计时阵列（PTA）信号做出主要的、甚至可能是主导性的贡献。

分析中所包含的直接坍缩黑洞群预计较为罕见，其特征密度接近10⁻⁶每立方百万秒差距。因此，它对预测的引力波背景的贡献要小得多。

如今的浪潮能够束缚古老的种子。

一个重要的含义是，现有的脉冲星计时阵列观测已经能够对早期超大质量黑洞种子的普遍程度设定上限。"如果产生太多的这些大质量种子，就会导致脉冲星计时阵列探测到的信号被过度产生。如果产生得太少，就需要其他来源在宇宙生命后期有效地组装这些超大质量黑洞来匹配脉冲星计时阵列观测结果，"Ghodla说道。

在已测试的模型中，大约每立方百万秒差距（Mpc⁻³）10⁻²到10⁻¹的种子密度就会开始产生比观测结果所允许的更多的引力波背景。具体的限制条件在很大程度上取决于这些种子所源自的暗物质晕的质量。通过这种方式，脉冲星计时阵列（PTA）测量有可能对红移大于10时存在的天体群进行限制，即便产生引力波的合并事件发生的时间要晚得多。这些计算结果也印证了早期的一项发现，即总黑洞质量大致超过10⁹个太阳质量的双黑洞系统主导了预计的脉冲星计时阵列信号，而质量较小的系统的贡献则要小得多。

这些发现为暗物质物理学、最早的发光天体、超大质量黑洞的起源以及引力波天文学之间建立了观测联系。

暗星最初被提出时，被认为是在宇宙黎明时期可能被直接观测到的天体，伊利说，这项研究指出了一种截然不同的方法，可用于检验暗星在宇宙历史中可能扮演的角色。暗星的‘后代’可能会留下一种引力波印记，这种印记会一直持续到当今的宇宙。

随着脉冲星计时阵列测量技术的进步，将其与对遥远黑洞及其宿主星系更严格的限制相结合，可以帮助研究人员区分关于宇宙中第一批超大质量黑洞形成方式的竞争性解释。

参考文献10.1103hvfd8fkr

相关知识

暗星通常指难以观测到的星体。在天文学里，它可能是质量巨大但不发光或光线极微弱的恒星残骸，像黑洞、中子星等可能在一定情境下被视为暗星。这类星体不释放可见光，得借助引力效应、射电信号等特殊手段来探测和研究。

BY: Colgate University

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参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3.原文来自： https://scitechdaily.com/dark-stars-may-have-left-a-gravitational-wave-signal-we-can-detect-today/

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