Dat zwakke kosmische gerommel dat je hoort? Het zou niet de koelkast van het universum kunnen zijn. Nieuw onderzoek suggereert dat de achtergrond van zwaartekrachtsgolven die door pulsar-timing-arrays is gedetecteerd, de spookachtige echo zou kunnen zijn van superzware zwarte gaten die meer dan 13 miljard jaar geleden zijn gevormd - mogelijk door de ineenstorting van hypothetische 'Donkere Sterren' die door donkere materie worden aangedreven.

In een studie die als een Letter in Physical Review D is gepubliceerd, onderzochten onderzoekers Sohan Ghodla en Cosmin Ilie van Colgate University of superzware zwarte gaten die in het vroege heelal zijn geboren een blijvende indruk konden achterlaten op de zwaartekrachtsgolven die we vandaag detecteren. Het verband? De verrassend massieve zwarte gaten die in het jonge heelal worden gezien en de zwaartekrachtsgolven die miljarden jaren later worden gegenereerd wanneer paren van deze kolossen om elkaar heen spiraliseren.

Het team ontdekte dat één mogelijke klasse van vroege zwarte-gaten-zaden - overblijfselen van superzware Donkere Sterren - mogelijk het Pulsar Timing Array (PTA) signaal zou kunnen domineren. Zoals Ilie het verwoordde: 'Pulsar-timing-arrays worden meestal beschouwd als sondes van superzware zwarte-gaten-binaire systemen in het relatief recente heelal. Wat ons werk laat zien, is dat het signaal ook informatie zou kunnen bevatten over hoe de voorouders van die zwarte gaten bij de kosmische dageraad zijn gevormd.'

Voor degenen die niet vloeiend pulsar-taal spreken: Pulsar Timing Arrays gebruiken snel ronddraaiende neutronensterren als kosmische klokken. Wanneer zwaartekrachtsgolven passeren, veranderen ze subtiel de timing van radiopulsen die de aarde bereiken. Door veel pulsars te volgen, hebben teams bewijs gevonden voor een stochastische achtergrond van zwaartekrachtsgolven bij nanohertz-frequenties - waarschijnlijk afkomstig van superzware zwarte-gaten-binaire systemen, vooral die met een gecombineerde massa van meer dan een miljard zonnen.

Maar hoe werden die zwarte gaten zo snel zo groot? Daar komen Donkere Sterren om de hoek kijken. Deze hypothetische oersterren zouden worden aangedreven door verwarming door donkere materie in plaats van kernfusie, waardoor ze konden groeien tot een miljoen zonsmassa's of meer voordat ze instortten tot zwarte gaten. Ghodla en Ilie modelleerden hoe dergelijke zaden zouden evolueren, samensmelten en zwaartekrachtsgolven produceren.

Hun conclusie? Als Donkere Ster-resten bestaan met een getaldichtheid van ongeveer 10^-3 Mpc^-3, zouden hun nakomelingen een groot, mogelijk dominant aandeel van het PTA-signaal kunnen leveren. Daarentegen zouden directe ineenstortings-zwarte gaten, met dichtheden rond 10^-6 Mpc^-3, veel minder bijdragen.

De studie benadrukt ook een leuke wending: PTA-waarnemingen kunnen beperken hoe vaak deze vroege zaden voorkwamen. 'Als je te veel van deze massieve zaden produceert, overproduceer je het PTA-gedetecteerde signaal. Produceer je te weinig, dan heb je andere bronnen nodig om deze superzware zwarte gaten later efficiënt samen te stellen,' zei Ghodla. Zaaddichtheden rond 10^-2 tot 10^-1 Mpc^-3 zouden de waargenomen limieten overschrijden, afhankelijk van de halo-massa's.

Dit geeft PTA's een onverwacht vermogen om populaties te onderzoeken bij roodverschuivingen groter dan 10 - oude objecten waarvan de nakomelingen de golven creëren die we vandaag zien. De berekeningen bevestigen ook dat binaire systemen met totale zwarte-gaten-massa's boven ongeveer 10^9 zonsmassa's het signaal domineren.

Dus, de volgende keer dat je dat kosmische gerommel hoort, onthoud dan: het zou de zwaartekrachtsgolf-afdruk kunnen zijn van de eerste superzware zwarte gaten van het universum, geboren uit door donkere materie aangedreven sterren. Wie wist dat het universum zulke dramatische oorsprongen had?