Mørke stjerner kan ha satt spor i gravitasjonsbølgene fra det unge universet

Koblingen er dermed indirekte, men nyttig: En måling i dagens univers kan brukes til å undersøke konsekvensene av en mulig dannelsesmekanisme fra den kosmiske daggry-tiden.

Hvorfor én million solmasser er et viktig skille

Dark-Star-scenariet blir særlig interessant når stjernene vokser til rundt 10^6 solmasser eller mer. Et kollaps på denne skalaen kan gi sorte hull et langt tyngre utgangspunkt enn i modeller med såkalte lette frø. Dersom mange nok av restene senere inngår i sammenslåinger, kan de løfte den beregnede PTA-bakgrunnen betydelig.

Resultatet er likevel betinget. Studien beviser verken at supermassive Dark Stars eksisterte eller at PTA-signalet kommer fra dem. Den viser at en tilstrekkelig tallrik populasjon av svært massive Dark Stars kan ha etterlatt seg sorte hull som bidrar kraftig til signalet.

Dark Stars sammenlignet med direkte kollaps

Ghodla og Ilie sammenlignet Dark-Star-rester med direkte-kollaps-sorte hull, ofte kalt DCBH-er. Dette er en annen foreslått vei til tunge sorte hullfrø i det tidlige universet. I modellen deres kan Dark-Star-rester med en komovende tetthet på omtrent 10^-3 Mpc^-3 gi et betydelig, og potensielt dominerende, bidrag til PTA-bakgrunnen. DCBH-kanalen bidrar derimot bare marginalt eller forblir underordnet med de langt lavere frøtetthetene som brukes i sammenligningen.

Forskjellen skyldes blant annet hvor selektive dannelsesmiljøene er. DCBH-er krever vanligvis svært spesielle forhold: urørt gass må kollapse uten å fragmentere, ofte under påvirkning av intens ultrafiolett stråling fra stjernedannelse i nærheten. I Dark-Star-modellen kan en langt større populasjon være mulig dersom tilstrekkelig isolerte minihaloer er vanlige, og objektene får fortsette å samle opp gass til supermassive størrelser.

Sammenligningen utelukker ikke DCBH-er. Den viser at antallet frø kan være like viktig som massen til hvert enkelt frø. En tallrik populasjon av Dark-Star-rester kan derfor skape en større bakgrunn fra sene sammenslåinger enn en sjeldnere kanal for tunge frø.

Hva PTA-målingene begrenser

Den samme beregningen setter en øvre grense for hvor stor den tidlige frøpopulasjonen kan være. Innenfor forfatternes rammeverk vil tettheter på omtrent 10^-2–10^-1 Mpc^-3 produsere mer gravitasjonsbølgeenergi enn det som er forenlig med PTA-bakgrunnen. Dersom signalet hovedsakelig kommer fra binærsystemer med supermassive sorte hull, taler observasjonene derfor mot frøpopulasjoner i dette området.

Dette er en begrensning på populasjonsnivå – ikke en direkte opptelling av Dark Stars. Hvor sterk konklusjonen er, avhenger av antakelser om frødannelse, gassopptak, halo-sammenslåinger, hvordan binærsystemene dannes og utvikler seg, samt selve tolkningen av PTA-signalet. Pulsartiming-arrays registrerer eller begrenser en bakgrunn av gravitasjonsbølger; de løser ikke opp enkeltstående stjerner fra universets barndom.

Et nytt vindu mot den kosmiske daggry-tiden

Betydningen av arbeidet ligger i at gravitasjonsbølgeastronomi kan undersøke objekter som for lengst kan ha forsvunnet. Elektromagnetiske observasjoner kan lete etter uvanlig lyssterke eller massive objekter ved høy rødforskyvning, mens PTA-er undersøker sammenslåingshistorien til de sorte hullene slike objekter eventuelt skapte.

Hvis fremtidige PTA-målinger bestemmer bakgrunnens styrke og spektrum mer presist, og tolkningen med supermassive sorte hull-binærere fortsatt står seg, kan resultatene bidra til å skille mellom Dark-Star-rester, DCBH-er og andre frøkanaler.

Studien bygger dermed en bro mellom fysikken i det unge universet og dagens nanohertz-observasjoner. Gravitasjonsbølgebakgrunnen kan ha bevart informasjon om hvordan de første massive sorte hullene ble sådd – selv om de opprinnelige Dark Stars ikke lenger er synlige.