Mørke stjerner kan have sat aftryk på universets gravitationsbølgebaggrund

Forbindelsen er altså indirekte, men den er videnskabeligt interessant: En måling fra nutidens univers kan bruges til at teste konsekvenserne af en mulig dannelsesmekanisme fra den kosmiske daggry-periode.

Hvorfor grænsen på én million solmasser er vigtig

Mørk-stjerne-scenariet bliver især relevant, når objekterne vokser til omkring 10⁶ solmasser eller mere. Et kollaps på den skala kan give sorte huller et langt tungere udgangspunkt end de såkaldte lette frø i mere traditionelle modeller. Hvis tilstrækkeligt mange af disse rester senere indgår i sammenstød, kan de løfte den forventede PTA-baggrund markant.

Resultatet er dog betinget af modellens antagelser. Det beviser hverken, at supermassive mørke stjerner fandtes, eller at PTA-signalet entydigt stammer fra deres rester. Det viser, at en tilstrækkeligt talrig population af meget massive mørke stjerner kan efterlade sorte huls-efterkommere, som bidrager kraftigt til signalet.

Mørke stjerner sammenlignet med direkte kollaps

Ghodla og Ilie sammenlignede resterne fra mørke stjerner med direkte kollaps-sorte huller, ofte kaldet DCBH’er. Det er en anden foreslået vej til at danne tunge sorte huls frø i det tidlige univers.

I den model, som studiet opsummerer, kan mørk-stjerne-rester med en komovende tæthed på omkring 10⁻³ Mpc⁻³ bidrage betydeligt – og muligvis dominerende – til PTA-baggrunden. DCBH-kanalen bidrager derimod kun marginalt eller forbliver underordnet, når de langt lavere frø-tætheder, der blev anvendt i sammenligningen, lægges til grund.

Forskellen hænger sammen med, hvor selektive dannelsesbetingelserne er. DCBH’er kræver typisk sjældne miljøer, hvor uberørt gas kollapser uden at fragmentere. Ofte skal der også være en nærliggende, effektivt stjernedannende ledsager, hvis ultraviolette stråling hæmmer dannelsen af molekylært brint og dermed afkølingen af gassen.

I mørk-stjerne-modellen kan populationen blive større, hvis tilstrækkeligt isolerede minihaloer er almindelige, og hvis objekterne kan fortsætte med at samle gas op til supermassive størrelser. Det betyder, at antallet af frø kan være lige så vigtigt som massen af hvert enkelt frø: En talrig population af mørk-stjerne-rester kan skabe en større sen gravitationsbølgebaggrund end en sjældnere kanal med tunge frø.

Sammenligningen udelukker ikke DCBH’er. Den viser blot, at de giver et mindre bidrag under de antagelser, forskerne har valgt.

Hvad PTA-målingerne begrænser

Den samme beregning sætter en øvre grænse for, hvor talrig populationen af tidlige frø kan være. I forskernes ramme vil tætheder på omkring 10⁻²–10⁻¹ Mpc⁻³ skabe mere gravitationsbølgeenergi, end der er foreneligt med den observerede PTA-baggrund. Målingerne taler derfor imod så høje frø-tætheder, hvis signalet hovedsageligt kommer fra binærer af supermassive sorte huller.

Det er en begrænsning på populationsniveau – ikke en direkte optælling af mørke stjerner. Hvor stærk grænsen er, afhænger blandt andet af antagelser om dannelsen af frø, tilvækst af masse, haloernes sammenfletningshistorie, dannelsen og udviklingen af binærer samt fortolkningen af selve PTA-signalet. PTA’er måler eller begrænser en gravitationsbølgebaggrund; de opløser ikke individuelle stjerner fra det tidlige univers.

En ny måde at undersøge det kosmiske daggry på

Den bredere betydning er, at gravitationsbølgeastronomi kan undersøge objekter, som forsvandt for milliarder af år siden. Elektromagnetiske observationer kan lede efter usædvanligt lysstærke eller massive objekter ved høj rødforskydning, mens PTA’er undersøger den senere sammenfletningshistorie for de sorte huller, sådanne objekter kan have dannet.

Hvis fremtidige PTA-målinger bestemmer baggrundens styrke og spektrum mere præcist, og fortolkningen som en population af supermassive sorte hul-binærer fortsat står stærkt, kan resultaterne hjælpe med at skelne mellem mørk-stjerne-rester, DCBH’er og andre tidlige frøkanaler.

Studiets vigtigste bidrag er derfor forbindelsen mellem fysikken ved det kosmiske daggry og nutidens nanohertz-observationer. Gravitationsbølgebaggrunden kan have bevaret information om, hvordan de første massive sorte huller blev sået – selv om de oprindelige mørke stjerner ikke længere er synlige.