Wie Dark-Star-Samen den Gravitationswellen-Hintergrund prägen könnten

Pulsar-Timing-Arrays (PTAs) haben Hinweise auf ein niederfrequentes, gemeinsames Signal gefunden. Seine räumliche Korrelation entspricht dem Muster, das für einen Gravitationswellen-Hintergrund erwartet wird. Als wahrscheinlichste astrophysikalische Quelle gilt derzeit eine kosmische Population verschmelzender Doppelpaare supermassereicher Schwarzer Löcher – auch wenn andere Erklärungen weiterhin möglich sind.

Sohan Ghodla und Cosmin Ilie nutzen dieses Signal als möglichen fossilen Abdruck der Entstehung der ersten Schwarzen Löcher. Ihr Modell verfolgt massereiche Samen aus dem frühen Universum durch das Wachstum ihrer Halos, die Entwicklung der Schwarzen Löcher und spätere Verschmelzungen. Anschließend berechnen die Forscher, welchen Nanohertz-Hintergrund die daraus hervorgehenden Doppelpaare erzeugen würden.

Die entscheidende Frage lautet dabei nicht, ob PTAs einen Dark Star direkt sehen können. Vielmehr geht es darum, ob Anzahl und Eigenschaften der Schwarzen Löcher, die aus Dark Stars hervorgegangen sein könnten, mit dem heute gemessenen Signal vereinbar sind.

Der vorgeschlagene Weg vom Dark Star zum PTA-Signal

Im untersuchten Szenario ist ein Dark Star ein ausgedehntes Objekt aus Wasserstoff und Helium. Seine Energie stammt überwiegend aus der Vernichtung dunkler Materie und nicht aus gewöhnlicher Kernfusion. Wenn ein solcher Stern weiterhin Gas aufnehmen kann, könnte er auf etwa eine Million Sonnenmassen oder mehr anwachsen, bevor er zu einem massereichen Schwarzen-Loch-Samen kollabiert.

Das PTA-Signal entsteht allerdings nicht unmittelbar beim Kollaps. Der neue Schwarze-Loch-Samen wächst zunächst in seinem Mutterhalo. Wenn Galaxien- und Halostrukturen miteinander verschmelzen, können auch ihre Schwarzen Löcher zusammenfinden. Über viele Generationen entsteht so eine Population supermassereicher Doppelpaare. Die kombinierte Strahlung zahlreicher solcher Systeme würde als stochastischer Gravitationswellen-Hintergrund im Nanohertz-Bereich erscheinen – genau in dem Frequenzband, für das langfristige Messungen der Ankunftszeiten von Millisekundenpulsaren empfindlich sind.

Der Zusammenhang ist also indirekt, aber wissenschaftlich wertvoll: Eine heutige Gravitationswellenmessung könnte Rückschlüsse auf einen Bildungsweg ziehen, der sich in der kosmischen Morgendämmerung abgespielt hat.

Warum die Schwelle von einer Million Sonnenmassen wichtig ist

Besonders relevant wird das Dark-Star-Szenario, wenn die Sterne etwa $10^6$ Sonnenmassen oder mehr erreichen. Ihr Kollaps würde dann einen deutlich schwereren Ausgangspunkt für das Wachstum eines Schwarzen Lochs liefern als Modelle mit sogenannten leichten Samen. Entstehen genügend dieser Überreste und nehmen sie später an Verschmelzungen teil, kann der vorhergesagte PTA-Hintergrund deutlich anwachsen.

Das Ergebnis ist jedoch ausdrücklich an Bedingungen geknüpft. Die Studie beweist weder, dass supermassereiche Dark Stars existiert haben, noch dass das PTA-Signal eindeutig von ihren Überresten stammt. Sie zeigt vielmehr: Eine ausreichend häufige Population sehr massereicher Dark Stars könnte Nachkommen erzeugen, die einen großen Anteil am beobachteten Signal beitragen.

Dark Stars im Vergleich zu direkten Kollapsen

Ghodla und Ilie stellen die Überreste von Dark Stars den sogenannten Direct-Collapse-Black-Holes (DCBHs) gegenüber. Dabei handelt es sich um eine weitere vorgeschlagene Entstehungsroute für schwere Schwarze-Loch-Samen im frühen Universum.

Im Modell der Studie können Dark-Star-Überreste bei einer komovierenden Dichte von ungefähr $10^{-3},\mathrm{Mpc}^{-3}$ einen erheblichen und möglicherweise sogar dominierenden Anteil des PTA-Hintergrunds liefern. Der DCBH-Kanal trägt unter den für den Vergleich verwendeten Annahmen dagegen nur marginal bei oder bleibt untergeordnet.

Der Unterschied hängt mit den jeweiligen Entstehungsbedingungen zusammen. DCBHs benötigen typischerweise seltene Umgebungen: Ursprüngliches Gas muss in einem ausreichend massereichen Halo kollabieren, ohne in kleinere Sterne zu zerfallen. Häufig ist dafür intensive ultraviolette Strahlung einer nahegelegenen, sehr effizient sternbildenden Galaxie erforderlich, die die Molekülwasserstoff-Kühlung unterdrückt.

Das Dark-Star-Szenario kann dagegen eine größere Population zulassen, wenn geeignete, ausreichend isolierte Minihalos häufig sind und die Sterne lange genug weiter Gas aufnehmen können. Die Studie schließt DCBHs deshalb nicht aus. Sie macht vielmehr deutlich, dass neben der Masse jedes einzelnen Samens auch dessen Häufigkeit entscheidend ist: Eine zahlreichere Population von Dark-Star-Überresten kann einen stärkeren späteren Doppel-Schwarze-Loch-Hintergrund erzeugen als ein seltenerer Kanal für schwere Samen.

Welche Grenzen die PTA-Daten setzen

Dieselbe Rechnung liefert auch eine Obergrenze für die Dichte der frühen Samen. Im verwendeten Modell würden Dichten von ungefähr $10^{-2}$ bis $10^{-1},\mathrm{Mpc}^{-3}$ mehr Gravitationswellenenergie erzeugen, als mit dem beobachteten PTA-Hintergrund vereinbar ist. Unter der Annahme, dass das Signal hauptsächlich von Doppelpaarsystemen supermassereicher Schwarzer Löcher stammt, sprechen die Daten daher gegen Samenpopulationen in diesem Bereich.

Das ist eine populationsbezogene Einschränkung – keine direkte Zählung von Dark Stars. Wie belastbar sie ist, hängt unter anderem von Annahmen über die Samenbildung, die Akkretion, die Entwicklung von Halos, das Zusammenfinden und die Dynamik der Doppelpaare sowie von der Interpretation des PTA-Signals ab. PTAs messen beziehungsweise begrenzen einen Gravitationswellen-Hintergrund; einzelne Sterne aus der Frühzeit des Universums lösen sie nicht auf.

Ein neues Fenster auf die kosmische Morgendämmerung

Die übergeordnete Bedeutung der Arbeit liegt darin, dass die Gravitationswellenastronomie Objekte untersuchen kann, die längst verschwunden sein könnten. Elektromagnetische Beobachtungen könnten nach ungewöhnlich hellen oder massereichen Objekten bei hoher Rotverschiebung suchen. PTAs prüfen dagegen die spätere Verschmelzungsgeschichte jener Schwarzen Löcher, die aus diesen Objekten hervorgegangen sein könnten.

Sollten künftige PTA-Messungen Amplitude und Spektrum des Hintergrunds genauer bestimmen und sich die Interpretation durch supermassereiche Doppelpaare weiter erhärten, könnten sie verschiedene Entstehungskanäle unterscheiden helfen: Dark-Star-Überreste, DCBHs oder andere Modelle für die ersten Schwarzen Löcher.

Die Studie schlägt damit eine Brücke zwischen der Physik der kosmischen Morgendämmerung und heutigen Nanohertz-Beobachtungen. Der Gravitationswellen-Hintergrund könnte Informationen darüber bewahren, wie die ersten massereichen Schwarzen Löcher entstanden sind – selbst dann, wenn die ursprünglichen Dark Stars selbst nicht mehr sichtbar sind.