Le “Dark Star” potrebbero aver contribuito al fondo di onde gravitazionali a nanohertz

I pulsar timing array (PTA), reti che confrontano nel tempo gli impulsi regolari di molte pulsar, hanno raccolto indizi di un segnale comune a bassa frequenza con il profilo di correlazione atteso da un fondo di onde gravitazionali. L’interpretazione astrofisica principale è che il segnale provenga da una popolazione cosmica di sistemi binari composti da buchi neri supermassicci in spirale verso la fusione, anche se non è l’unica possibilità.

Sohan Ghodla e Cosmin Ilie hanno usato questo segnale come una possibile traccia fossile della formazione dei semi dei buchi neri nell’Universo primordiale. Il loro modello segue i semi ad alto redshift durante la crescita degli aloni di materia oscura, l’accrescimento dei buchi neri e le fusioni tra galassie e aloni; quindi calcola il fondo a nanohertz prodotto dai sistemi binari supermassicci risultanti.

La domanda, dunque, non è se i PTA possano osservare direttamente una Dark Star. Il punto è capire se il numero e le proprietà dei buchi neri lasciati da queste stelle ipotetiche siano compatibili con il segnale misurato oggi.

Il percorso che dalle Dark Star porta alle onde gravitazionali

Nel contesto considerato, una Dark Star è un oggetto esteso composto soprattutto da idrogeno ed elio, sostenuto principalmente dall’energia liberata dall’annichilazione della materia oscura invece che dalla fusione nucleare ordinaria. Se riuscisse a continuare ad accumulare gas, potrebbe raggiungere circa un milione di masse solari o anche di più prima di collassare e formare un seme massiccio di buco nero.

Quel seme non produrrebbe subito il segnale rilevato dai PTA. Crescerebbe all’interno del proprio alone, incontrerebbe altri buchi neri durante le fusioni tra aloni e, nel corso del tempo cosmico, potrebbe entrare a far parte di una popolazione di sistemi binari supermassicci. L’emissione combinata di molti di questi sistemi si manifesterebbe come un fondo stocastico nella banda dei nanohertz, proprio quella a cui sono sensibili le osservazioni pluriennali dei millisecond pulsar.

Il legame è quindi indiretto, ma significativo: una misura effettuata oggi sulle onde gravitazionali può mettere alla prova le conseguenze di un possibile meccanismo di formazione attivo all’alba cosmica.

Perché la soglia del milione di masse solari è importante

Lo scenario delle Dark Star diventa particolarmente interessante quando questi oggetti raggiungono circa 10^6 masse solari o superano tale soglia. Un collasso a quella scala fornirebbe un punto di partenza molto più massiccio rispetto agli scenari convenzionali con semi leggeri. Se un numero sufficiente di questi resti si formasse e partecipasse in seguito a fusioni, il fondo previsto per i PTA potrebbe aumentare in modo sostanziale.

Il risultato resta però condizionale. Lo studio non dimostra che le Dark Star supermassicce siano esistite e non stabilisce che il segnale dei PTA provenga unicamente dai loro resti. Indica piuttosto che una popolazione abbastanza numerosa di Dark Star molto massicce potrebbe generare discendenti capaci di contribuire in modo rilevante al segnale osservato.

Dark Star e buchi neri da collasso diretto

Ghodla e Ilie hanno confrontato i resti delle Dark Star con i buchi neri da collasso diretto, o DCBH (direct-collapse black holes), un’altra ipotesi per la formazione di semi massicci nell’Universo primordiale.

Nel confronto adottato dal modello, una densità comovente di circa 10^-3 Mpc^-3 per i resti delle Dark Star può produrre una quota significativa, potenzialmente dominante, del fondo rilevato dai PTA. Il canale dei DCBH, basato su densità iniziali molto più basse nelle ipotesi esaminate, contribuisce invece solo marginalmente o resta subdominante.

La differenza dipende dai requisiti di formazione incorporati nei due scenari. In generale, i DCBH richiedono ambienti particolari: gas primordiale che collassi senza frammentarsi, spesso sotto l’intensa radiazione ultravioletta prodotta da una regione vicina di formazione stellare. Il modello delle Dark Star può invece consentire una popolazione più numerosa, se gli aloni minimi sufficientemente isolati sono comuni e se le stelle riescono ad accrescere materia fino a scale supermassicce.

Il confronto non esclude i DCBH. Mostra che, secondo le ipotesi dello studio, il numero dei semi conta quanto la loro massa individuale: una popolazione più abbondante di resti di Dark Star può generare un fondo di fusioni più intenso, in epoca tarda, rispetto a un canale di semi massicci ma più raro.

Cosa limitano le osservazioni dei PTA

La stessa analisi impone un limite superiore alla popolazione dei semi primordiali. Nel quadro usato dagli autori, densità dell’ordine di 10^-2–10^-1 Mpc^-3 produrrebbero un’energia nelle onde gravitazionali superiore a quella compatibile con il fondo osservato dai PTA. I dati sfavoriscono quindi popolazioni di semi così dense, se si assume che il segnale sia generato soprattutto da binarie di buchi neri supermassicci.

Si tratta di un vincolo statistico sulla popolazione, non di un censimento diretto delle Dark Star. La sua solidità dipende dalle ipotesi sulla formazione dei semi, sull’accrescimento, sulla storia delle fusioni degli aloni, sull’evoluzione dei sistemi binari e sull’interpretazione stessa del segnale dei PTA. Questi strumenti rilevano, o limitano, un fondo di onde gravitazionali: non risolvono singole stelle primordiali.

Una nuova finestra sull’alba cosmica

L’importanza più ampia del risultato è che l’astronomia delle onde gravitazionali può sondare oggetti scomparsi miliardi di anni fa. Le osservazioni elettromagnetiche possono cercare oggetti insolitamente luminosi o massicci ad alto redshift; i PTA, invece, analizzano la storia delle fusioni dei buchi neri che quegli oggetti potrebbero aver generato.

Se le future misure dei PTA riusciranno a definire meglio ampiezza e spettro del fondo, e se resterà favorita l’interpretazione basata sulle binarie supermassicce, i dati potrebbero aiutare a distinguere tra resti di Dark Star, DCBH e altri canali di formazione dei primi semi.

Il contributo centrale dello studio è quindi un ponte tra la fisica dell’alba cosmica e le osservazioni attuali nella banda dei nanohertz: il fondo di onde gravitazionali potrebbe conservare informazioni su come si formarono i primi buchi neri massicci, anche se le Dark Star originarie non sono più visibili.