通过脉冲星网络探测到的极低频引力波的微弱背景可能包含超过130亿年前展开的事件的线索，包括宇宙中一些最早的超大黑洞的出现。在《物理评论D》上发表的研究中，科尔盖特大学的研究人员索汉·戈德拉和科斯敏·伊利探讨了早期宇宙中的超大黑洞是否能够最终为目前由脉冲星计时阵（PTAs）测量的引力波背景提供重要贡献。研究结果将天文学的两个看似遥远的领域连接在一起。一个涉及宇宙年轻时已有的意外巨大黑洞的观察。另一个涉及数十亿年后由成对的超大黑洞相互螺旋运动产生的引力波。研究人员发现，早期黑洞种子的一种可能类别，即超大暗星留下的遗骸，可能会对PTA信号提供主导贡献。伊利表示：“脉冲星计时阵通常被视为探测相对年轻宇宙中的超大黑洞双星的探针。我们工作的结果表明，这一信号还可能包含关于这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，今天观察到的引力波可能为我们打开了一扇关于第一个超大黑洞诞生的新窗口。”脉冲星作为精确的宇宙时钟脉冲星计时阵依赖于快速旋转的中子星，称为脉冲星，它们在太空中充当极其精确的时钟。当引力波穿越宇宙时，它们会导致射向地球的无线电脉冲的时机发生微小的变化。通过长期跟踪许多脉冲星，国际研究小组发现了在纳赫兹频率范围内的随机引力波背景的证据。对于这一背景，最广泛接受的天体物理学解释是，一组超大黑洞双星逐渐向内螺旋移动。质量总和超过大约十亿太阳的黑洞系统在PTAs所检测到的频率上做出了特别重要的贡献。但是，解释这些巨大的黑洞提出了一个更深层次的问题。天文学家仍然想知道它们原始种子是如何形成的。包括詹姆斯·韦伯太空望远镜和钱德拉望远镜在内的天文台在意想不到的早期宇宙历史阶段发现了巨大的黑洞，从而增加了对能快速产生大黑洞种子的形成机制的兴趣。戈德拉和伊利研究这些古代种子的后裔是否可能穿越宇宙时间存续，随着宿主星系的成长而生长，最终配对并生成数十亿年后检测到的引力波背景。暗星能否孕育巨大黑洞？研究人员探索了在早期宇宙中生产巨大黑洞种子的两种可能途径：直接崩塌黑洞和通过超大暗星的崩塌形成的黑洞。暗星是假设的原始恒星，它们将大部分能量来自与暗物质相关的加热，而不是主要依靠普通核聚变。在本文考虑的WIMP暗物质情形下，这些恒星在继续吸收物质时可能保持相对凉爽和延伸。在适当的条件下，它们可能在崩溃成巨大的黑洞之前，成长到大约一百万倍太阳质量或更多。戈德拉和伊利模拟了通过这些途径产生的黑洞在宇宙历史中的演变。他们追踪了宿主黑洞的晕，估计物体合并的频率，并计算了这些合并会产生的引力波背景。结果表明，如果超大暗星的遗骸以大约10 -3 Mpc -3的数密度存在，它们的后裔可能会对PTAs测量的引力波信号提供大而可能是主导的贡献。在研究中考虑的直接崩塌黑洞种群似乎相对不常见。其特征密度接近10 -6 Mpc -3，这些物体将对观察到的信号贡献大大减少。利用引力波探测宇宙黎明 该研究的一个关键结论是，当前的PTA测量可以对超大黑洞最早的种子可能有多常见设置限制。戈德拉表示：“如果产生了太多这些巨大的种子，你最终会过产生PTA检测到的信号。如果产生得太少，你需要其他来源在宇宙生命的晚期有效地组装这些超大黑洞，以匹配PTA观测。”在研究人员考察的模型中，种子密度在10 -2到10 -1 Mpc -3的范围内将