Det där svaga kosmiska mumlandet du har hört? Det kanske inte är universums kylskåp. Ny forskning antyder att den gravitationsvågsbakgrund som upptäckts med pulsartidningsarrayer kan vara det spöklika ekot av supermassiva svarta hål som bildades för mer än 13 miljarder år sedan – möjligen från kollapsen av hypotetiska 'mörka stjärnor' som drivs av mörk materia.

I en studie publicerad som ett brev i Physical Review D undersökte forskarna Sohan Ghodla och Cosmin Ilie vid Colgate University om supermassiva svarta hål som föddes i det tidiga universum kunde lämna ett bestående avtryck på de gravitationsvågor vi upptäcker idag. Kopplingen? De förvånansvärt massiva svarta hålen som ses i det unga universum och de gravitationsvågor som genererades miljarder år senare när par av dessa jättar spiralerar samman.

Teamet fann att en möjlig klass av tidiga svarta hålfrön – rester av supermassiva mörka stjärnor – potentiellt skulle kunna dominera Pulsar Timing Array (PTA)-signalen. Som Ilie uttryckte det: 'Pulsartidningsarrayer betraktas vanligtvis som sonder av supermassiva svarta hålbinärer i det relativt senaste universum. Vad vårt arbete visar är att signalen också kan innehålla information om hur förfäderna till dessa svarta hål bildades vid kosmisk gryning.'

För dem som inte är flytande i pulsarspråk: Pulsartidningsarrayer använder snabbt roterande neutronstjärnor som kosmiska klockor. När gravitationsvågor passerar genom dem ändrar de subtilt tidpunkten för radiopulser som når jorden. Genom att spåra många pulsarer har team hittat bevis för en stokastisk gravitationsvågsbakgrund vid nanohertzfrekvenser – troligen från supermassiva svarta hålbinärer, särskilt de med kombinerade massor över en miljard solar.

Men hur blev dessa svarta hål så stora så snabbt? Det är där mörka stjärnor kommer in. Dessa hypotetiska primordiala stjärnor skulle drivas av uppvärmning från mörk materia snarare än kärnfusion, vilket gör att de kan växa till en miljon solmassor eller mer innan de kollapsar till svarta hål. Ghodla och Ilie modellerade hur sådana frön skulle utvecklas, smälta samman och producera gravitationsvågor.

Deras slutsats? Om rester av mörka stjärnor finns med en nummerdensitet på ungefär 10^-3 Mpc^-3, skulle deras ättlingar kunna bidra med en stor, möjligen dominerande andel av PTA-signalen. Däremot skulle direkt kollapsande svarta hål, med densiteter nära 10^-6 Mpc^-3, bidra mycket mindre.

Studien belyser också en snygg tvist: PTA-observationer kan begränsa hur vanliga dessa tidiga frön var. 'Producera för många av dessa massiva frön och du överproducerar den PTA-detekterade signalen. Producera för få, och du behöver andra källor för att effektivt montera ihop dessa supermassiva svarta hål senare,' sa Ghodla. Frödensiteter runt 10^-2 till 10^-1 Mpc^-3 skulle överstiga observerade gränser, beroende på halomassor.

Detta ger PTA:er en oväntad förmåga att sondera populationer vid rödförskjutningar större än 10 – uråldriga objekt vars ättlingar skapar de vågor vi ser idag. Beräkningarna bekräftar också att binärer med totala svarta hålmassor över ungefär 10^9 solmassor dominerar signalen.

Så nästa gång du hör det kosmiska mumlandet, kom ihåg: det kan vara gravitationsvågsavtrycket från universums första supermassiva svarta hål, födda från stjärnor som drivs av mörk materia. Vem visste att universum hade så dramatiska ursprung?