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Gravitationswellen könnten Dunkle Sterne verraten
Das tiefe Nanohertz-Rauschen der Gravitationswellen könnte Informationen über die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher bewahren. Modellrechnungen zeigen, dass Nachfahren hypothetischer Dunkler Sterne einen großen Teil dieses Signals erzeugen könnten. Entscheidend sind jedoch Annahmen über die Häufigkeit der frühen Keime, ihre Wirts-Halos und die spätere Entwicklung der Schwarzen-Loch-Paare.
Hamilton (U.S.A.). Pulsare senden ihre Radiopulse mit so großer Regelmäßigkeit aus, dass Astronomen winzige Laufzeitverschiebungen über Jahre hinweg messen können. Netzwerke solcher Himmelsuhren, sogenannte Pulsar Timing Arrays (PTA), liefern dadurch Hinweise auf einen stochastischen Gravitationswellenhintergrund im Nanohertz-Bereich, der vermutlich vor allem von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher stammt.
Ein Großteil dieser Gravitationswellen wird erst erzeugt, wenn die Schwarzen Löcher vergleichsweise spät in der kosmischen Geschichte umeinander kreisen. Ihre Massen könnten dennoch Informationen über eine viel frühere Epoche tragen, denn besonders schwere Systeme müssen aus Keimen hervorgegangen sein, die schon im jungen Universum entstanden und anschließend stark gewachsen sind.
Forscher der Colgate University um Sohan Ghodla haben nun modelliert, wie sich frühe massereiche Schwarze-Loch-Keime über Milliarden Jahre entwickeln und welchen Gravitationswellenhintergrund ihre späteren Verschmelzungen erzeugen könnten. Die Wissenschaftler verglichen dabei zwei Entstehungswege, den direkten Kollaps primordialer Gaswolken und den Kollaps supermassereicher Dunkler Sterne.
„Pulsar Timing Arrays gelten normalerweise als Sonden für Paare supermassereicher Schwarzer Löcher im relativ jungen Universum. Unsere Arbeit zeigt, dass das Signal auch Informationen darüber enthalten könnte, wie die Vorläufer dieser Schwarzen Löcher bei der kosmischen Morgendämmerung entstanden. In diesem Sinne könnten heute beobachtete Gravitationswellen ein neues Fenster zur Geburt der ersten supermassereichen Schwarzen Löcher öffnen“, erklärt Cosmin Ilie von der Colgate University.
Dunkle Sterne sind bislang hypothetische Ursterne. Im von den Forschern betrachteten WIMP-Szenario würde ihre Energie zu einem wesentlichen Teil aus der Vernichtung von Teilchen Dunkler Materie stammen und nicht primär aus Kernfusion. Dadurch könnten solche Sterne relativ kühl und ausgedehnt bleiben, weiter Gas aufnehmen und unter günstigen Bedingungen auf bis zu rund eine Million Sonnenmassen anwachsen, bevor sie zu Schwarzen Löchern kollabieren.
Für ihre Berechnungen ließen Ghodla und Ilie die frühen Keime mit ihren Dunkle-Materie-Halos wachsen, bestimmten die Häufigkeit späterer Halo- und Schwarze-Loch-Verschmelzungen und berechneten daraus das erwartete Gravitationswellenspektrum. Bei einer komovierenden Dichte von Größenordnung 10⁻³ Keimen pro Kubikmegaparsec könnten die Nachfahren kollabierter Dunkler Sterne demnach einen großen und möglicherweise dominierenden Anteil am PTA-Signal liefern.
Direkt kollabierte Schwarze Löcher sind in den zugrunde gelegten Modellen deutlich seltener. Für sie setzten die Forscher typische Dichten um 10⁻⁶ pro Kubikmegaparsec an. Entsprechend bleibt ihr Beitrag zum Gravitationswellenhintergrund wesentlich kleiner. Besonders wichtig sind in beiden Szenarien Paare mit zusammen mehr als etwa einer Milliarde Sonnenmassen.
„Erzeugt man zu viele dieser massereichen Keime, produziert man am Ende mehr PTA-Signal, als beobachtet wird. Erzeugt man zu wenige, braucht man andere Quellen, um diese supermassereichen Schwarzen Löcher später im Leben des Universums effizient aufzubauen und die PTA-Beobachtungen zu erklären“, sagt Sohan Ghodla.
Die Modellrechnung lässt sich deshalb auch umkehren. Bei den untersuchten Annahmen würden Keimdichten von ungefähr 10⁻² bis 10⁻¹ pro Kubikmegaparsec bereits mehr Gravitationswellenhintergrund erzeugen, als die PTA-Messungen zulassen. Wie streng diese Grenze ausfällt, hängt besonders stark davon ab, in welchen Dunkle-