Hoe zaadzwarte gaten uit donkere sterren het nanohertz-achtergrondsignaal kunnen vormen

Pulsartiming-arrays (PTA’s) hebben aanwijzingen gevonden voor een laagfrequent, gemeenschappelijk signaal met het correlatiepatroon dat bij een achtergrond van zwaartekrachtgolven hoort. De belangrijkste astrofysische verklaring is een kosmische populatie van paren van elkaar naderende superzware zwarte gaten, al zijn ook andere bronnen mogelijk.

Sohan Ghodla en Cosmin Ilie gebruiken dat signaal als een mogelijke herinnering aan de vorming van zwarte gaten in het vroege heelal. In hun model volgen ze zware zaden op hoge roodverschuiving terwijl hun gastheerstelsels groeien, zwarte gaten zich opbouwen en dubbelsterren uiteindelijk samensmelten. Daarna berekenen ze de nanohertz-achtergrond die door die populatie ontstaat. De vraag is dus niet of een PTA rechtstreeks een donkere ster kan zien, maar of de aantallen en eigenschappen van zwarte gaten die uit zulke sterren zouden voortkomen passen bij het signaal dat nu wordt gemeten.

De voorgestelde route van donkere ster naar zwaartekrachtgolf

In dit scenario is een donkere ster een uitgestrekt object van vooral waterstof en helium. De ster wordt voornamelijk aangedreven door energie uit de annihilatie van donkere materie, niet door gewone kernfusie. Als zo’n object gas uit zijn omgeving kan blijven opnemen, zou het kunnen aangroeien tot ongeveer één miljoen zonsmassa’s of zelfs meer. Daarna kan het instorten tot een zwaar zwart-gat-zaad.

Dat zaad zendt niet meteen het signaal uit waarop PTA’s gevoelig zijn. Het groeit eerst binnen zijn donkere-materiehalo, komt tijdens het samensmelten van halo’s andere zwarte gaten tegen en kan uiteindelijk deel worden van een populatie superzware dubbelsterren. De gezamenlijke straling van vele van die dubbelsterren zou verschijnen als een stochastische achtergrond in het nanohertzbereik—de frequentieband die kan worden onderzocht door de langetermijnmetingen aan snel ronddraaiende pulsars.

Het verband is daarmee indirect, maar wel informatief: een meting van zwaartekrachtgolven in het heden kan de gevolgen testen van een voorgesteld vormingsmechanisme uit de kosmische dageraad.

Waarom de grens van één miljoen zonsmassa’s belangrijk is

Het scenario wordt vooral interessant wanneer donkere sterren ongeveer $10^6$ zonsmassa’s bereiken of daarbovenuit komen. Een instorting op die schaal levert een veel zwaarder startpunt voor de groei van een zwart gat dan modellen met lichte zaden. Als voldoende van deze restanten later aan fusies deelnemen, kunnen ze de voorspelde PTA-achtergrond flink versterken.

Dat resultaat is nadrukkelijk voorwaardelijk. Het bewijst niet dat superzware donkere sterren hebben bestaan en laat evenmin zien dat het PTA-signaal uitsluitend door hun restanten wordt veroorzaakt. Het model toont wel dat een voldoende talrijke populatie zeer zware donkere sterren nakomelingen kan opleveren die sterk aan het gemeten signaal bijdragen.

Donkere sterren tegenover zwarte gaten uit directe instorting

Ghodla en Ilie vergeleken de restanten van donkere sterren met zwarte gaten uit directe instorting, meestal aangeduid als DCBH’s (direct-collapse black holes). Dat is een andere voorgestelde route naar zware zwarte-gatzaden in het vroege heelal.

In de vergelijking van de studie kunnen restanten van donkere sterren met een meekomende dichtheid van ongeveer $10^{-3},\mathrm{Mpc}^{-3}$ een aanzienlijk en mogelijk dominant aandeel van de PTA-achtergrond leveren. De DCBH-route draagt in de gebruikte vergelijking slechts marginaal bij of blijft ondergeschikt, omdat daar veel lagere zaaddichtheden worden aangenomen.

Dat verschil komt voort uit de voorwaarden voor vorming. Voor DCBH’s is doorgaans een uitzonderlijke omgeving nodig: vrijwel ongerept gas moet in een massieve halo instorten zonder uiteen te vallen in gewone sterren. Vaak is bovendien sterke ultraviolette straling van nabije stervorming nodig om moleculaire waterstof en daarmee afkoeling te onderdrukken. In het model van donkere sterren kan een veel grotere populatie ontstaan als voldoende geïsoleerde minihalo’s beschikbaar zijn en de sterren lang genoeg gas blijven opnemen om superzware afmetingen te bereiken.

De vergelijking sluit DCBH’s niet uit. Ze laat vooral zien dat het aantal zaden minstens zo belangrijk is als hun individuele massa. Een talrijkere populatie restanten van donkere sterren kan daardoor een grotere achtergrond van latere dubbelsterfusies veroorzaken dan een zeldzamere route met zware zaden.

Wat PTA-metingen aan de populatie begrenzen

Dezelfde berekening levert ook een bovengrens op voor de populatie vroege zaden. Binnen het model zouden dichtheden van ongeveer $10^{-2}$ tot $10^{-1},\mathrm{Mpc}^{-3}$ te veel zwaartekrachtgolfenergie produceren in vergelijking met de waargenomen PTA-achtergrond. Als het signaal inderdaad voornamelijk afkomstig is van dubbelsterren van superzware zwarte gaten, wijzen de metingen dus op een lagere zaaddichtheid dan die orde van grootte.

Dit is een beperking op populatieniveau, geen directe inventaris van donkere sterren. De kracht van de grens hangt af van aannames over zaadvorming, gasaanwas, de geschiedenis van halo-fusies, het koppelen en de evolutie van zwarte dubbelsterren, en de interpretatie van het PTA-signaal zelf. PTA’s detecteren—of begrenzen—een achtergrond van zwaartekrachtgolven; ze lossen afzonderlijke sterren uit de oertijd niet op.

Een nieuwe manier om de kosmische dageraad te onderzoeken

De bredere betekenis is dat zwaartekrachtgolfastronomie aanwijzingen kan opleveren over objecten die al lang geleden verdwenen zijn. Met elektromagnetische waarnemingen kunnen astronomen zoeken naar ongewoon heldere of massieve objecten op hoge roodverschuiving. PTA’s onderzoeken ondertussen de fusiegeschiedenis van de zwarte gaten die zulke objecten mogelijk hebben voortgebracht.

Als toekomstige PTA-metingen de sterkte en het spectrum van de achtergrond nauwkeuriger vastleggen, en de uitleg met superzware dubbelsterren overeind blijft, kunnen ze helpen onderscheid te maken tussen restanten van donkere sterren, DCBH’s en andere routes naar vroege zwarte-gatzaden. De studie legt daarmee een brug tussen de fysica van de kosmische dageraad en hedendaagse nanohertz-waarnemingen: de zwaartekrachtgolfachtergrond kan informatie hebben bewaard over het ontstaan van de eerste zware zwarte gaten, zelfs als de oorspronkelijke donkere sterren zelf niet meer zichtbaar zijn.