Das James-Webb-Weltraumteleskop hat kürzlich seltsame Objekte im Universum entdeckt. Diese Gebilde, die möglicherweise „dunkle Sterne“ sind, wecken bei Astronomen große Neugier. Falls bestätigt, würden sie durch einen Mechanismus leuchten, der mit dunkler Materie zusammenhängt, einer unsichtbaren Substanz, die einen Großteil des Kosmos ausmacht.
Wenn diese Himmelskörper nicht wirklich dunkel sind, spiegelt ihr Name dennoch eine höchst ungewöhnliche Energiequelle wider. Im Gegensatz zu klassischen Sternen, die ihre Leuchtkraft aus der Kernfusion beziehen, würden sie durch die Vernichtung von Teilchen dunkler Materie angetrieben (ein Prozess, der weiter unten erklärt wird). Diese Besonderheit macht ihre Oberfläche kälter, aber aufgrund ihrer enormen Größe extrem hell, was sie von bisher beobachteten gewöhnlichen Sternen unterscheidet.
Die dunkle Materie, die etwa 27 % des Kosmos ausmacht, bleibt schwer fassbar, da sie kein sichtbares Licht aussendet. Wissenschaftler gehen davon aus, dass sie aus elektrisch neutralen Teilchen besteht, die bei Kollisionen vernichtet werden und dabei Energie freisetzen. Dieser Mechanismus könnte die ursprünglichen Wasserstoff- und Heliumgase aufheizen, ihren schnellen Kollaps verhindern und die klassische Sternentstehung verzögern, was zur Bildung dunkler Sterne führen könnte.
Kehren wir zu den Anfängen des Universums zurück: Die ursprünglichen Gaswolken kollabierten unter dem Einfluss der Schwerkraft. Normalerweise löst dies die Kernfusion aus, doch bei einer hohen Dichte an dunkler Materie erzeugt die Vernichtung genug Wärme, um diese Objekte im Gleichgewicht zu halten. Dunkle Sterne könnten somit viel länger leben als normale Sterne und kontinuierlich dunkle Materie anziehen, um leuchtend zu bleiben.
Drei im Dezember 2022 vom JWST beobachtete und als Galaxien identifizierte Objekte könnten in Wirklichkeit riesige, von dunkler Materie gespeiste Sterne sein.
Credit: NASA/ ESA
Um diese Objekte zu identifizieren, suchen Astronomen nach spezifischen Anzeichen. Sie müssen sehr alt sein, mit einer starken Rotverschiebung in ihrem Licht (siehe Erklärung am Ende des Artikels), was darauf hindeutet, dass sie kurz nach dem Urknall entstanden sind. Ihre Größen sind kolossal und erreichen Dutzende astronomische Einheiten (eine astronomische Einheit entspricht der Entfernung zwischen Erde und Sonne), und sie enthalten wenige schwere Elemente wie Sauerstoff. Daten des James-Webb-Teleskops haben Kandidaten offenbart, die diesen Kriterien entsprechen.
Am Ende ihres Lebens könnten massereiche dunkle Sterne direkt zu supermassereichen Schwarzen Löchern kollabieren. Dies könnte einen Hinweis darauf liefern, wie sich solche Schwarzen Löcher im jungen Universum schnell bildeten, wie beispielsweise das in der Galaxie UHZ-1 beobachtete. Allerdings ist diese Idee nicht unumstritten, da einige Forscher der Meinung sind, dass es sich bei diesen Objekten um ungewöhnliche Galaxien handeln könnte, was weitere Studien zur Bestätigung ihrer Natur erfordert.
Die Vernichtung dunkler Materie
Die Vernichtung dunkler Materie ist ein theoretischer Prozess, bei dem Teilchen dieser Substanz kollidieren und sich gegenseitig zerstören, wobei Energie freigesetzt wird. Modelle deuten darauf hin, dass diese Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sind, was bedeutet, dass sie entgegengesetzte Eigenschaften, aber dieselbe Masse besitzen. Wenn sie aufeinandertreffen, vernichten sie sich unter Produktion von Photonen oder anderen Teilchen und wandeln dabei ihre Masse gemäß Einsteins berühmter Gleichung E=mc² in Energie um.
Im Fall dunkler Sterne findet diese Vernichtung mit hoher Rate statt, wenn die Dichte der dunklen Materie ausreichend ist. Die freigesetzte Energie heizt die umgebenden Gase wie Wasserstoff und Helium auf und erzeugt einen Druck, der dem Gravitationskollaps entgegenwirkt. Dieser Mechanismus ermöglicht es diesen Objekten, zu leuchten, ohne auf Kernfusion zurückzugreifen, und bietet eine Alternative zu klassischen stellaren Prozessen.
Die Vernichtung beeinflusst auch die Strukturbildung im Universum, indem sie die Verteilung von Wärme und Materie beeinflusst. Falls bestätigt, könnte sie erklären, warum bestimmte Raumregionen helle oder thermische Anomalien aufweisen, und den Weg für neue Theorien in der Astrophysik ebnen.
Die Rotverschiebung und das frühe Universum
Die Rotverschiebung ist ein Effekt, der beobachtet wird, wenn sich das Licht entfernter Objekte zu längeren Wellenlängen streckt, was darauf hinweist, dass sich das Universum ausdehnt. Für Astronomen dient dies als Werkzeug, um Entfernungen und Alter von Himmelsobjekten zu messen. Je größer die Verschiebung, desto älter und entfernter ist das Objekt, da sein Licht länger durch den expandierenden Raum gereist ist.
Im Zusammenhang mit dunklen Sternen hilft diese Verschiebung, potenzielle Kandidaten zu identifizieren, da diese Objekte kurz nach dem Urknall entstanden sein sollen. Das James-Webb-Teleskop nutzt Infrarotsensoren, um dieses verschobene Licht zu erfassen und Strukturen sichtbar zu machen, die sonst unsichtbar wären. Dies ermöglicht die Erforschung der ersten Generationen von Sternen und Galaxien und bietet einen Einblick in das ursprüngliche Universum.
Daten zur Rotverschiebung werden mit anderen Messungen wie Leuchtkraft und chemischer Zusammensetzung kombiniert, um dunkle Sterne von normalen Galaxien zu unterscheiden. So sollten dunkle Sterne beispielsweise wenige schwere Elemente aufweisen, da sie aus ursprünglichem Material entstehen. Dieser multispektrale Ansatz ist entscheidend, um Hypothesen über diese rätselhaften Objekte zu validieren.
Das Verständnis der Rotverschiebung ermöglicht es auch, die beschleunigte Expansion des Universums zu untersuchen, die mit dunkler Energie verbunden ist. Durch die Kartierung dieser Effekte können Forscher die kosmische Geschichte rekonstruieren und die zukünftige Entwicklung vorhersagen.
Quelle: arXiv