Черные дыры промежуточной массы: астрофизика и космология

Современные исследования определяют диапазон масс для ЧДПМ от 100 до 105М_ө [1]. Интерес к изучению ЧДПМ возрастает в связи с острой проблемой роста массы наблюдаемых СМЧД до миллиардов масс Солнца на больших красных смещениях, требующих или физически маловероятного роста «затравочной» ЧД с массой около 100 масс Солнца с красных смещений 20-25, или существования «затравочной» ЧДПМ с массой 104 - 10⁵Mo. Вопрос о происхождении таких ЧД открыт - они могли бы образоваться в плотных звездных скоплениях [1] или иметь первичную природу (ПЧДПМ). Первое надежное подтверждение существования ЧДПМ с массой более 100 Mg было получено в 2020 году консорциумом LMK (LIG O-\'irgo-KAG R А) [2]. Данные наблтодения показывают, что ЧДПМ могут сформироваться и расти при слияния ЧД меньшей массы. ЧДПМ также косвенно обнаруживаются в рентгеновских наблюдениях приливных разрушений звезд [3,4]. На сегодняшний день таких кандидатов мало, однако запуски космических ГВ обсерваторий (LISA, TianQin и др.) могут существенно увеличить темпы обнаружения подобных ЧДПМ. Модели показывают [5], что слияния подобных объектов являются идеальным источником для космических ГВ-интерферометров. ЧДПМ могут формироваться в центрах карликовых галактик или в больших звездных скоплениях [1]. Возможны также первичные ЧД (ПЧД), образованные в результате гравитационного коллапса первичных областей с большим возмущением плотности в ранней Вселенной [6-10].

Мы рассматриваем модель образования ПЧД из возмущений кривизны на стадии инфляции с дополнительным скалярным комплексным полем с барионным зарядом (модифицированный ба-риогенезис Аффлека-Дайна (Affleck-Dine)) [11]. В этой модели естественно могут образовываться ПЧДПМ с массами до 〜 10⁴Mg [12].

• 1.    Формирование ПЧДПМ в ранней Вселенной

• 2.    Слияние двойных ПЧДПМ для космических ГВ-интерферометров

Модель модифицированного бариогенезиса Аффлека-Дайна [11], кроме объяснения барионной асимметрии Вселенной, предсказывает возникновение на стадии инфляции первичных возмущений кривизны с произвольным барионным зарядом (НВВ). При КХД-переходе ( T qcd ~ 100 Ме\ 」力 丁 20^-5 с) НВВ-областіі преврашатотся в большие возмущения плотности, прпводяттпю к образованию ПЧД, компактных звездных объектов или плотных первичных газовых облаков с логнормальным спектром масс [9,12,13]:

dn/dM = 〃 ² exp (— 7 ln² (M/M 。 ) ) ( 1)

где 儿 - нормировочная константа. 7 ii M 。 — свободные параметры. Важной особешюстьтс ) этого распределения является то, что степенной пре-фактор M" вместо 〃 ² не меняет логнормальный вид распределения после переопределения параметров. Распределение чирп-масс двойных систем ПЧД¹ с лог-иормалыіым спектром масс также имеет лог-иормалыіый вид с новой шириной 7’ = 27 и новым значением параметра M0, зависимым от M 。 . Благодаря лог-иормалыюму закону распределения масс, в довольно длинном хвосте распределения могут образоваться тяжелые ПЧД. Максимальная масса ЧД зависит от продолжительности инфляции 力 1 после «открытия» плоских направлений ^-потенциала [12]:

е3Hgti)〜io47 ( ■ Y 叱)100M- ⑵ e 〜10 1014GeV 104Mg Tqcd ⑵ здесь Тһ — температура，первичного разогрева.」：「я (формирования ПТ1Д с массами порядка，104Mg время формирования таких возмущений до конца инфляции Н (^е —力1) должно быть порядка 36, что разумно для инфляционных моделей. Отметим, что области с высокой плотностью (барионные пузыри) формируются преимущественно сферически-симметричными, поскольку такие конфигурации минимизируют энергию пузыря. Их угловой момент при этом должен быть равен нулю, поскольку они образуются в результате фазового перехода в космологической материи с исчезающим угловым моментом из-за отсутствия векторных возмущений. Это разительно контрастирует с астрофизическими ЧД, у которых угловой момент может быть существенным [8].

Вероятность /⑴，что две ПЧД с массами М1 и М2 сольются во временном интервале от 力 40 力 + d力 была получена в работах [14,15]. Темп слияний ПЧД с массами М1, М2 в двойных системах в кубическом гигапарсеке за один год будет [16]冗=

= првн / ( 力 ). Здесь

dMi • dM₂

првн — средняя концентрация ПЧД. Зная красное смещение z ⑴， для каждого источника можно рассчитать отношение сигнал/шум на ГВ-детекторе с заданной чувствительностью и рассчитать темп регистрации двойных ЧД с данной чирп-массой. Мы рассмотрели конкретный космический детектор TianQin [17]. Методом Монте-Карло было построено модельное распределение чирп-масс сливающихся двойных ПЧД, которые находятся в пределах чувствительности TianQin с отношением сигнал/шум > 8 (Рис. 1а). Кумулятивное распределение показано на Рис. 16. Видно, что порядка 0.15 двойных ПЧД с чирп-массами М_с > 1000Mo могут регистрироваться детекторами TianQin в год с отношением сигнал/шум > 8 для параметров логнормального распределения Мо = 17М 。 , 7 = 0.9, которые описывают в целом распределение чирп-масс сливающихся двойных ЧД в данных LVK [10]. Следует отметить, что эти параметры отличаются от наиболее вероятных значений, которые описывают наблюдаемое «двугорбое» распределение чирп-масс в данных GWTC-3 двумя примерно равными по численности популяциями двойных ЧД - астрофизическими и первичными (М₀ 心 30М_Ө, 7 心 10) [8]. Необходим дальнейший набор статистики для уточнения формы наблюдаемого распределения.

Log[A

1.0 一

0.8

0.6

0.4

0.2

Mo=17M0,y=O.9,fpBH=6*1O 4

0°^       1000       2000       3000       4000

MIMQ

Рис. 1. Слева: предварительное модельное распределение чирп-масс сливающихся двойных ПЧД, которые находятся в пределах чувствительности детектора TianQin с отношением сигнал/шум > 8. Начальные параметры лог-нормального распределения масс ПЧД М0 = 17М 。 , 7 = 0.9. Доля ПЧД в полной плотности темной материи f_pbh = 6 х 10^-4 в соответствии с наблюдаемым LVK темпом слияния двойных ЧД [8]. Справа: кумулятивное распределение сливающихся двойных ПЧД для детектора TianQin.

Заключение

Астрофизические ЧДПМ с массами 仁 103 - 105М_ө обнаружены (с высокой долей вероятности) в центрах карликовых галактик. Кроме того, появляются доказательства существования двойных ЧДПМ в галактических центрах (наблюдения JWST). Однако до сих пор не известен точный механизм их образования.

Мы рассмотрели возможность наблюдательных проявлений ЧДПМ в модели модифицированного бариогеиезиса Аффлека-Дайна [11] с массой до 104М_ө. Такие ЧДПМ могут быть зародышами для раннего образования СМЧД в центрах галактик [12]. Нами сделана оценка числа двойных ПЧДПМ, которые могут регистрироваться космическими гравитационно-волновыми лазерными интерферометрами (Рис. 1). Предполагая, что 仁 0, 01% темной материи сосредоточено в первичных ЧД с логнормальным спектром масс, до 15% от количества слияний двойных ЧДПМ с массами >1000 М_ө можно будет обнаружить за один год наблюдений с помощью будущих космических лазерных ГВ-интерферометров, таких как LISA или TianQin.

Работа поддержана грантом РНФ 23-42-00055. Также, работа Митичкина Н.А. поддержана грантом фонда «Базис» 22-2-10-2-1.