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Eine Illustration eines von dunkler Materie umhüllten Neutronensterns (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Wissenschaftler halten es für möglich, dass Hüllen aus hypothetischen Teilchen, die „Axionen“ genannt werden, extreme, tote Sterne, sogenannte „Neutronensterne“, umgeben könnten. Wenn dies zutrifft, könnte uns dies der Lösung des Rätsels der dunklen Materie einen Schritt näher bringen.

Zu diesem Schluss kommt ein Forscherteam unter der Leitung von Dion Noordhuis von der Universität Amsterdam, das zuvor untersucht hat, was mit bestimmten Kandidaten für dunkle Materie, den so genannten „Axionen“, die Neutronensternen entkommen, passieren würde. Diese unglaublich leichten Teilchen, die hypothetisch sind, weil sie nie tatsächlich nachgewiesen wurden, passen gut zur dunklen Materie. Denn wenn es sie gibt, würden sie nur sehr schwach mit „normaler“ Materie und Licht wechselwirken. Das ist der Aspekt der dunklen Materie, der sie praktisch unsichtbar macht.

Noordhuis und Kollegen haben sich nun den Axionen zugewandt, die nach dieser waghalsigen Flucht zurückgeblieben wären, und festgestellt, dass sich diese Teilchen aufgrund der exotischen Eigenschaften der toten Sterne in dichten Wolken um Neutronensterne ansammeln könnten.

„Wenn Axionwolken und damit Axionen entdeckt werden, wäre das ein großer Schritt zur Lösung des Problems der dunklen Materie“, so Noordhuis gegenüber kosmischeweiten.de. „Die Frage ist: Warum sind Neutronensterne die richtigen Himmelskörper, um eine Axionenwolke zu erzeugen? „Aber wie könnte die Ansammlung von Axionenwolken geschehen, und warum sind Neutronensterne und nicht etwa Schwarze Löcher die idealen Körper, um diese Axionenwolken zu sammeln? Es beginnt damit, dass dunkle Materie und damit auch Axionen mit der Schwerkraft wechselwirken – und Neutronensterne sind die „Goldlöckchen“ dieser Situation, die gerade genug Gravitationseinfluss haben, aber nicht zu viel.

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Die dunkle Materie durch Axionwolken deutlicher sehen

Um zu verstehen, warum die dunkle Materie eine solche Herausforderung für die Wissenschaftler darstellt, muss man sich vor Augen halten, dass die gesamte Materie, die in allem steckt, was wir um uns herum sehen – von Sternen, Planeten und Monden bis hin zu Menschen, Kaffeetischen und sogar Katzen – nicht mehr als 15 % der Materie im Universum ausmacht. Die anderen 85 %, die dunkle Materie, sind praktisch unsichtbar, weil sie entweder nicht mit dem Licht wechselwirken (oder dies zumindest nur sehr schwach tun).

Axionen sind die derzeitigen Hauptverdächtigen für dunkle Materieteilchen, und das Team stellt die Theorie auf, dass eine ausgeklügelte Technik es den derzeitigen Teleskopen ermöglichen könnte, diese Hüllen dunkler Materie um die so genannten Neutronenstern-„Fallen“ zu beobachten, d. h. um die Vertiefungen in der Struktur von Raum und Zeit, die diese Sterne erzeugen.

Ein Diagramm zeigt das Verhältnis der dunklen Materie zur „normalen“ Materie, aus der Sterne, Planeten und Katzen bestehen (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Das Team argumentiert, dass Neutronensterne von Wolken dieser dunklen Materieteilchen umgeben sein müssten, wenn Axionen Massen innerhalb eines bestimmten Bereichs haben, den die aktuellen theoretischen Modelle unterstützen.

Eine überraschende Erkenntnis der Forscher war, dass diese Wolkenansammlung „generisch“ ist, d. h. sie ist nicht nur auf Neutronensterne mit bestimmten Eigenschaften beschränkt. Das bedeutet, dass sich Axionwolken sowohl um junge Neutronensterne mit einer rasanten Rotationsgeschwindigkeit, die das Licht von ihren Polen ausstrahlt, so genannte Pulsare, als auch um ältere Neutronensterne, die sich verlangsamt haben und daher nicht wie kosmische Leuchttürme wirken, ansammeln könnten. Darüber hinaus sollte die Trübungswirkung bei allen Arten von Axionen auftreten.

Noordhuis und seine Kollegen fanden heraus, dass Axionwolken sehr dicht sind und die lokale Dichte der dunklen Materie über weite Strecken des Lebens eines Neutronensterns um mehr als 20 Größenordnungen übertreffen können. Diese Dichte ist von Bedeutung, denn obwohl Axion-Wechselwirkungen mit Licht und Materie schwach und daher selten sind, könnte eine Region, in der genügend dieser Teilchen gebündelt sind, zu einem „verstärkten Signal“ führen, das tatsächlich nachweisbar ist.

Er fügte hinzu, dass die Wechselwirkungen zwischen den vermuteten Axionen und den Lichtteilchen, den Photonen, sehr gering sind und viel schwächer sind, als wir sie mit der derzeitigen Teleskoptechnologie untersuchen können. Wenn sich Axionen jedoch in dichten Wolken um Neutronensterne ansammeln, die sich im Laufe von Millionen von Jahren gebildet haben, könnte sich diese Situation ändern. Teleskope sollten in der Lage sein, diese Wolken aufzuspüren.

„Sobald sich eine Axionwolke ausreichend aufgebaut hat, können große Mengen von Axionen in Lichtteilchen umgewandelt werden, die starke Beobachtungssignaturen in Form von Radiowellen erzeugen“, sagte Noordhuis.

Um herauszufinden, warum Neutronensterne die idealen Körper sind, um dichte Axionenwolken zu sammeln, lohnt es sich zu erforschen, woher ihre extremen Eigenschaften kommen.

Warum Neutronensterne?

Neutronensterne entstehen, wenn Sterne, die mindestens achtmal so massereich sind wie die Sonne, in ihrem Kern keinen Brennstoff mehr haben, den sie für die Kernfusion benötigen. Damit fällt auch die nach außen gerichtete Energie oder der „Strahlungsdruck“ weg, der den Stern während seines Lebens gegen den nach innen gerichteten Druck seiner eigenen Schwerkraft stützt.

Dadurch kollabiert der Kern des massiven Sterns durch die Schwerkraft vollständig. Dieses Zerbrechen des Sterns sendet Schockwellen aus, die sich bis in die oberen Schichten des Sterns ausbreiten und eine gewaltige Supernova-Explosion auslösen, die den größten Teil der Masse des Sterns wegbläst.

Das Ergebnis ist ein Körper mit der ein- bis zweifachen Masse der Sonne, der zu einem Körper mit einer Breite von etwa 20 Kilometern (12 Meilen) zusammengepresst wird, der in die Grenzen von Manhattan passen würde. Das ist ein Neutronenstern.

Eine Illustration eines Neutronensterns im Vergleich zu Manhattan. (Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center)

Nur weil ein Neutronenstern in die Stadtgrenzen einer durchschnittlichen Stadt auf der Erde passen würde, heißt das noch lange nicht, dass es eine gute Idee wäre, ihn nach Hause zu schleppen (wenn so etwas überhaupt möglich wäre).

Der Gravitationskollaps des Kerns eines massiven Sterns erzeugt ein Meer von Materie, das reich an Neutronen ist, Teilchen, die normalerweise zusammen mit Protonen in Atomkernen vorkommen. Eine quantenphysikalische Eigenschaft dieser neutralen Teilchen, die so genannte „Neutronendegeneration“, verhindert einen weiteren Kollaps des Neutronensterns. Dies kann überwunden werden, wenn der Sternkern genügend Masse hat, was zu einem vollständigen Gravitationskollaps führt, bei dem ein Schwarzes Loch entsteht.

Die mit Neutronen beladene Materie, aus der ein Neutronenstern besteht, ist die dichteste bekannte Materie im Universum. Sie ist so dicht, dass ein Teelöffel Neutronenstern-„Zeug“ auf der Erde 10 Millionen Tonnen wiegen würde. Das ist so, als würde man 85.000 Blauwale auf einen Teelöffel stapeln.

Damit einher geht ein sehr starkes Gravitationsfeld, das diese toten Sterne zu idealen Axionfallen macht.

„Neutronensterne sind aufgrund ihrer massiven Gravitationsfelder die richtigen Himmelskörper, um einen Teil der erzeugten Axionpopulation einzufangen“, so Noordhuis. „Schwarze Löcher wären auch effiziente Fänger, aber sie sind auch effizientere Absorber von Axionen. Außerdem ist im Moment überhaupt nicht klar, ob Axionen in ähnlicher Weise um Schwarze Löcher herum erzeugt werden.“

Ein Teelöffel Neutronensternmaterie entspricht etwa 85.000 Blauwalen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Die enorme Schwerkraft, die Neutronensterne umgibt, ist nicht die einzige Eigenschaft dieser stellaren Überreste, die ihnen dabei hilft, dichte Wolken von Axionen zu sammeln. Wenn der Sternkern, der zu einem Neutronenstern wird, kollabiert, werden die Magnetfeldlinien des Sterns zusammengedrückt. Je näher die Magnetfeldlinien beieinander liegen, desto stärker ist das Magnetfeld.

Daher haben Neutronensterne die stärksten Magnetfelder im bekannten Universum. Dies führt dazu, dass sie von ionisiertem Gas umgeben sind, das aus geladenen Teilchen besteht und Plasma genannt wird.

„Neutronensterne sind von einem Plasma umgeben, das als Magnetosphäre bezeichnet wird und ein oszillierendes elektromagnetisches Feld über den Polen des Neutronensterns entstehen lässt, das Axionen erzeugen kann“, erklärt Noordhuis. „Neutronensterne beherbergen die stärksten Magnetfelder im Universum, was die Wechselwirkung zwischen Axionen und Photonen verstärkt.“

„Das bedeutet, dass Axionen nicht nur in der Umgebung von Neutronensternen erzeugt werden können, sondern dass auch riesige Mengen dieser Teilchen produziert werden können.“

Axionen können einzeln nur schwach mit Photonen wechselwirken, aber wenn sie sich in dichten Wolken versammeln, kann diese Axion-Licht-Wechselwirkung nachgewiesen werden.

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Das Team hat zwei Signale identifiziert, die auf das Vorhandensein von Axionwolken hinweisen könnten. Das erste wäre ein kontinuierliches Signal, das während großer Teile der Lebensdauer eines Neutronensterns ausgesendet wird. Dieses Signal würde eine zusätzliche Komponente darstellen, die zusätzlich zum eigentlichen Licht eines Neutronensterns ausgesendet wird. Das zweite ist ein vorübergehendes Signal, das am Ende des Lebens eines Neutronensterns ausgestrahlt wird, d. h. in dem Moment, in dem ein Neutronenstern aufhört, Zwillingslichtstrahlen zu erzeugen, die von seinen Polen ausgehen, während er sich dreht, und die das Universum durchdringen und den „Leuchtturm“-Effekt von sich schnell drehenden Neutronensternen oder „Pulsaren“ erzeugen.

„Dieses transiente Signal ist das Ergebnis drastischer Veränderungen in der Umgebung des Neutronensterns, die mit seinem ‚Tod‘ zusammenfallen“, so Noordhuis weiter. „Beide Signaturen haben das Potenzial, die Kopplung zwischen Axionen und Photonen über die derzeitigen Grenzen hinaus zu erforschen, selbst mit der bestehenden Radioteleskop-Infrastruktur.“

Ein Diagramm zeigt einen von Axionen umhüllten Neutronenstern, eine mögliche Lösung für dunkle Materie (Bildnachweis: D. Noordhuis et al, Physical Review X)

Natürlich steht diese Forschung noch ganz am Anfang, und selbst wenn Axionen entdeckt werden, können sie die dunkle Materie nicht erklären. Außerdem sind sie möglicherweise nicht die einzigen Teilchen, aus denen diese mysteriöse Form der Materie besteht, die derzeit nur aus ihrer Wechselwirkung mit der Schwerkraft abgeleitet werden kann.

„Dies ist das erste Mal, dass diese Art von Axionwolke diskutiert wurde, also gibt es natürlich noch viel zu tun“, sagte Noordhuis. „Es gibt bereits eine Folgeforschung, die sich darauf konzentriert, wie diese gebundenen Axionen die Dynamik von Neutronensternen selbst verändern können. Weitere Arbeiten in dieser Richtung, die sich beispielsweise mit dem nicht-trivialen Zusammenspiel zwischen Axionen und der Elektrodynamik in diesen Systemen befassen, werden sicherlich noch folgen.“

Es ist wenig überraschend, dass bei einer Theorie, die wissenschaftliche Disziplinen von der Astrophysik bis zur Teilchenphysik umfasst, ein hohes Maß an Zusammenarbeit zwischen den Bereichen erforderlich sein wird, um die potenzielle Verbindung zwischen dunkler Materie, Axionen und Neutronensternen vollständig zu untersuchen.

„Ein vollständiges Verständnis der Axionwolken wird komplementäre Anstrengungen aus verschiedenen Bereichen der Physik erfordern, einschließlich der Teilchenastrophysik, der Plasmaphysik und der beobachtenden Radioastronomie“, sagte Noordhuis. Diese Arbeit eröffnet somit ein neues, interdisziplinäres Feld mit vielen Möglichkeiten für zukünftige Forschung.“

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 17. Oktober in der Zeitschrift Physical Review X veröffentlicht.