Eine Illustration zeigt einen hypothetischen Axionstern, der Licht auf die dunkle Materie werfen könnte.(Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Die Entdeckung hochinstabiler und explosiver „Axionsterne“ könnte den Wissenschaftlern helfen, endlich Licht in die geheimnisvollste Materie des Universums zu bringen: Dunkle Materie.
Obwohl sie schätzungsweise 85 % der Masse des Universums ausmacht, bleibt die dunkle Materie praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht wechselwirkt. Das bedeutet auch, dass sie nicht aus Teilchen wie Elektronen und Protonen bestehen kann, aus denen sich die Atome zusammensetzen, die Sterne, Planeten, Monde und unsere Körper bilden.
Dies hat die Wissenschaftler dazu veranlasst, nach den schwer fassbaren Teilchen zu suchen, die tatsächlich für die dunkle Materie verantwortlich sein könnten. Einer der Hauptverdächtigen für die dunkle Materie sind die so genannten „Axionen“, Teilchen mit geringer Masse, die erstmals 1977 theoretisiert wurden. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Axionen gefunden werden könnten, wenn Wissenschaftler nach Regionen suchen, in denen sich die Teilchen verklumpt haben könnten. Möglicherweise haben solche Klumpen Axionsterne entstehen lassen – mit explosiven Folgen.
„Axionen sind einer der Hauptkandidaten für dunkle Materie. Wir haben entdeckt, dass sie die Fähigkeit haben, das Universum zu erhitzen, genau wie Supernovas und gewöhnliche Sterne, nachdem sie sich zu dichten Klumpen zusammengefunden haben“, sagte Malcolm Fairbairn, Mitglied des Teams und Professor am King’s College London, in einer Erklärung. „Mit diesem Wissen ausgestattet, wissen wir mit viel größerer Sicherheit, wohin wir unsere Instrumente im Feld richten müssen, um sie zu finden.“
Das Geheimnis der dunklen Materie könnte mit einem Knall enden
Dunkle Materie interagiert vielleicht nicht mit Photonen des Lichts, den Teilchen, die mit der elektromagnetischen Kraft verbunden sind, aber sie interagiert mit einer der anderen vier Grundkräfte des Universums: der Schwerkraft.
Die dunkle Materie wurde überhaupt erst entdeckt, als Wissenschaftler feststellten, dass einige Galaxien so schnell rotieren, dass die Schwerkraft, die mit der gesamten sichtbaren Masse in ihnen verbunden ist, nicht ausreicht, um sie zusammenzuhalten. Es musste also noch etwas anderes geben. Neben der Entdeckung, dass die dunkle Materie die Galaxien am Auseinanderfliegen hindert, glauben die Wissenschaftler nun auch, dass die meisten, wenn nicht sogar alle großen Galaxien von Halos aus dunkler Materie umgeben sind, die weit über ihre sichtbaren Scheiben und Halos aus Sternen, Gas und Staub hinausgehen.
Das heißt, wenn die dunkle Materie aus Axionen besteht, müssen diese massearmen Teilchen in großer Zahl vorhanden sein, um die beobachteten Gravitationseffekte zu erklären. Dies würde auch bedeuten, dass es Gebiete gibt, in denen Axionen dicht gepackt sind. In diesen Regionen würden die Axionen aufgrund der Gesetze der Quantenphysik wahrscheinlich beginnen, gemeinsam zu agieren. Dies könnte dazu führen, dass große Gruppen von Axionen im Herzen von Galaxien Axionsterne bilden.
Diese Axionsterne wären jedoch nicht so langlebig wie die Halos aus dunkler Materie, die Galaxien umgeben, sagt das Team.
Eine Illustration zeigt eine helle Spiralgalaxie, die von einem Halo aus dunkler Materie umhüllt ist. (Bildnachweis: ESO/L Calçada)
Axion-Sterne, sollten sie existieren, würden instabil werden, sobald sie eine bestimmte Masse erreichen. Dies würde dazu führen, dass die Sterne explodieren und Strahlungsausbrüche freisetzen.
Das Team vermutet, dass diese Strahlung Gas erhitzt haben könnte, das einst zwischen Galaxien existierte, in der Zeit zwischen der Entstehung der ersten Atome im Universum und der Bildung der ersten Sterne, etwa 50 Millionen bis 500 Millionen Jahre nach dem Urknall.
Die Bindung von Elektronen an Protonen zur Bildung der ersten Atome während einer Ära des Universums, die als Ära der Reionisation bezeichnet wird, bedeutete auch, dass freie Elektronen nicht mehr endlos Photonen streuten. Dadurch wurde das Universum plötzlich durchlässig für Licht, und dieses „erste Licht“ kann nun in Form eines kosmischen Fossils gesehen werden, das das Universum gleichmäßig ausfüllt, eine Strahlung, die als „kosmischer Mikrowellenhintergrund“ oder „CMB“ bezeichnet wird. Das Team, das hinter dieser Forschung steht, glaubt, dass Explosionen von Axionsternen im frühen Universum Abdrücke im CMB hinterlassen haben könnten. Die Suche nach dieser Signatur mit Hilfe von Radiowellen, die als 21-Zentimeter-Messung bekannt sind, könnte also die Axion-Natur der dunklen Materie bestätigen.
„Kohärente Axionsterne, selbst solche, die relativ kompakt sind, haben das Potenzial, in einen Halo aus Elektromagnetismus und Licht auszubrechen“, sagte Fairbairn. „Das Wissen um die Art der Strukturen, die die dunkle Materie des Axions bilden kann, und ihre Auswirkungen auf das umgebende intergalaktische Gas kann neue Wege für ihre Entdeckung ebnen.
„Wenn wir in der Lage wären, das Axion zu finden, würde uns das wahrscheinlich helfen, eine der größten Fragen der Wissenschaft zu lösen, an der wir seit über einem Jahrhundert arbeiten, und die Geschichte des frühen Universums aufzuklären.“
Die Berechnung der Anzahl der existierenden Axionsterne könnte letztlich das volle Explosionspotenzial dieser instabilen Ansammlungen dunkler Materie aufdecken und erklären helfen, wie diese Explosionen mit intergalaktischem Gas interagieren. Dies wird wiederum einen Hinweis auf die Größe des Signals geben, das sich im CMB verbirgt. „Die 21cm-Messung wird allgemein als die Zukunft der Kosmologie angesehen, und die Rolle, die sie bei der Suche nach dem Axion spielt, ist ein wichtiger Grund dafür“, sagt David Marsh, Forscher am King’s College London. „Derzeit wird eine Vielzahl von Axion-Suchprojekten durchgeführt, darunter auch Projekte wie Dark Matter Radio. Es ist eine sehr, sehr aufregende Zeit, Astrophysiker zu sein.“
Die Forschungen über Axionsterne wurden in einer Reihe von Artikeln in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.
