Seit einigen Jahren registrieren Astronomen ein rätselhaftes, tieffrequentes Zittern der Raumzeit, das den gesamten Kosmos zu durchziehen scheint und als kosmisches Brummen bekannt wurde. Eine neue Studie liefert nun eine ebenso kühne wie faszinierende Erklärung: Ein erheblicher Teil des Signals könnte auf Dunkle Sterne zurückgehen, hypothetische Giganten aus der Zeit vor mehr als 13 Milliarden Jahren, die nicht von Kernfusion, sondern von Dunkler Materie befeuert wurden.
Gravitationswellen sind winzige Verzerrungen der Raumzeit, die entstehen, wenn gewaltige Massen beschleunigt werden. Der erste direkte Nachweis gelang 2015, als Detektoren das hochfrequente Signal zweier kollidierender stellarer Schwarzer Löcher auffingen. Das kosmische Brummen ist jedoch von völlig anderer Natur, denn seine Wellen schwingen im Nanohertz-Bereich, eine einzelne Schwingung dauert Jahre bis Jahrzehnte. Für solche Frequenzen taugt kein irdischer Detektor, weshalb Astronomen die Galaxie selbst zum Messinstrument machen. Sogenannte Pulsar-Timing-Arrays überwachen dutzende Pulsare, rasch rotierende Neutronensterne, deren Radiopulse mit der Präzision kosmischer Uhren bei der Erde eintreffen. Winzige, koordinierte Verschiebungen dieser Ankunftszeiten über 15 Beobachtungsjahre verrieten schließlich das allgegenwärtige Wellenmeer, das den Raum unablässig dehnt und staucht.
Als wahrscheinlichste Quelle des Brummens gelten bislang Paare supermassereicher Schwarzer Löcher, die in den Zentren verschmelzender Galaxien einander umkreisen und dabei über Jahrmillionen Gravitationswellen abstrahlen. Doch genau hier beginnt ein zweites großes Rätsel der modernen Astronomie, denn Beobachtungen, zuletzt vor allem mit dem James-Webb-Teleskop, zeigen bereits im jungen Universum erstaunlich massereiche Schwarze Löcher, deren rasantes Wachstum sich mit gewöhnlichen Sternüberresten als Ausgangspunkt kaum erklären lässt. Irgendetwas muss diesen Giganten einen gewaltigen Startvorsprung verschafft haben. Die Physiker Sohan Ghodla und Cosmin Ilie von der Colgate University verknüpfen in ihrer Arbeit nun beide Rätsel zu einer gemeinsamen Antwort.
Das Konzept der Dunklen Sterne wurde 2007 vorgeschlagen und beschreibt eine exotische Sternklasse der kosmischen Morgendämmerung. In den dichten Zentren früher Materiewolken könnte sich neben gewöhnlichem Wasserstoff auch Dunkle Materie gesammelt haben, jene unsichtbare Substanz, die den Großteil der Masse im Universum stellt. Vernichten sich ihre Teilchen gegenseitig, wird Energie frei, die einen Stern von innen heizt, ganz ohne Kernfusion. Solche Objekte könnten zu wahren Ungetümen mit Millionen Sonnenmassen herangewachsen sein, kühl, aufgebläht und dunkelrot glimmend. Kollabiert ein derartiger Gigant am Ende seines Daseins, hinterlässt er auf einen Schlag ein extrem massereiches Schwarzes Loch, exakt die Sorte Startkapital, die das rätselhaft schnelle Wachstum der frühen Giganten erklären würde.
Ghodla und Ilie verfolgten in ihren Modellen, was aus solchen frühen Schwarzen Löchern über die Kosmenzeit hinweg wird, wie das Fachportal space.com in seiner Einordnung der Arbeit beschreibt. Die Forscher simulierten die Entwicklung der Saat-Populationen, ihrer Heimatgalaxien und der späteren Verschmelzungsraten und berechneten daraus das Gravitationswellen-Signal, das deren Nachfahren heute erzeugen müssten. Das Ergebnis: Stammen die ersten supermassereichen Schwarzen Löcher von kollabierten Dunklen Sternen ab, erreicht das vorhergesagte Brummen genau die Stärke, die Pulsar-Timing-Arrays tatsächlich messen. Eine Vergleichspopulation aus deutlich selteneren, direkt kollabierten Gaswolken bleibt dagegen weit unter dem beobachteten Signal.
Die Tragweite dieses Befunds reicht über die Astronomie hinaus, wie das Team in der Fachzeitschrift Physical Review D darlegt. Sollten Dunkle Sterne tatsächlich einen messbaren Anteil am kosmischen Brummen tragen, würde das heutige Gravitationswellen-Signal Informationen aus einer Epoche konservieren, die mehr als 13 Milliarden Jahre zurückliegt und keinem Teleskop direkt zugänglich ist. Mehr noch: Da Dunkle Sterne ihre Energie aus der Selbstvernichtung Dunkler Materie beziehen würden, ließe sich aus Stärke und Frequenzverlauf des Hintergrunds ablesen, wie sich diese unsichtbare Substanz in den dichtesten Regionen des jungen Universums verhielt. Das Brummen der Raumzeit würde damit zu einer Art Fossilbericht der kosmischen Frühzeit.
Noch ist die Existenz Dunkler Sterne nicht belegt, und die Autoren präsentieren ihre Rechnung ausdrücklich als überprüfbare Hypothese, nicht als Nachweis. Doch die Prüfung hat bereits begonnen. Pulsar-Timing-Arrays auf mehreren Kontinenten sammeln laufend präzisere Daten, mit denen sich das Spektrum des Hintergrunds immer feiner vermessen lässt, und unterschiedliche Entstehungsszenarien der Schwarzen Löcher hinterlassen darin unterschiedliche Fingerabdrücke. Parallel fahnden Astronomen mit dem James-Webb-Teleskop nach den charakteristisch kühlen, leuchtkräftigen Signaturen einzelner Dunkler Sterne im frühen Universum, für die es erste Kandidaten gibt. Bestätigt sich das Bild, hätte die Menschheit gleich zwei Jahrhunderträtsel auf einen Streich gelöst: die Herkunft der größten Schwarzen Löcher und die Natur eines Signals, das seit Anbeginn der Zeit durch den Kosmos rollt.
Physical Review D, Reconstructing PTA measurements via early seeding of supermassive black holes; doi:10.1103/hvfd-8fkr