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(Links) Eine Illustration eines Neutronensterns (rechts) eine künstlerische Darstellung der Verteilung der dunklen Materie.(Bildnachweis: NASA’s Goddard Space Flight Center/VOLKER SPRINGEL, MAX PLANCK INSTITUTE FOR ASTROPHYSICS)

Wissenschaftler vermuten, dass einige tote Sterne aus dem dichtesten Material des bekannten Universums, so genannte „Neutronensterne“, als Fallen für Teilchen der dunklen Materie dienen könnten, die mit hoher Geschwindigkeit zusammenstoßen und sich gegenseitig vernichten. Der Annihilationsprozess wiederum, so das Team, heizt die toten Sterne wahrscheinlich von innen heraus auf.

Im Allgemeinen ist die dunkle Materie ein problematisches Thema für Forscher, denn obwohl sie schätzungsweise 85 % der Materie im Universum ausmacht, ist sie praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht wechselwirkt. Dunkle Materie scheint auch nicht mit „gewöhnlicher Materie“, die aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht, in Wechselwirkung zu treten – oder, falls doch, sind diese Wechselwirkungen selten und schwach. Wir haben sie noch nie gesehen. Dies wirft eine interessante Frage auf: Wechselwirkt die dunkle Materie mit sich selbst?

Nicole Bell, eine theoretische Physikerin an der Universität von Melbourne, interessiert sich für die Art von Selbstwechselwirkung der dunklen Materie, die in normaler Materie auftritt, wenn ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, aufeinandertreffen und sich vernichten, wobei Energie freigesetzt wird. Dunkle Materie ist elektrisch neutral, was bedeutet, dass alle Teilchen, aus denen die Substanz besteht, theoretisch auch ihre eigenen Antiteilchen haben könnten.

Und wie bei der Annihilation normaler Materie sollte es auch bei der Annihilation dunkler Materie zu einem Zusammentreffen der Teilchen kommen – und Neutronensterne könnten die ideale extreme Umgebung für solche Wechselwirkungen sein.

„Annihilation bedeutet, dass ein Teilchen und ein Antiteilchen zusammenstoßen und sich gegenseitig zerstören. Genau das würde passieren, wenn die dunkle Materie ihr eigenes Antiteilchen ist, wie es in den am meisten untersuchten Modellen für dunkle Materie oft angenommen wird“, so Bell gegenüber kosmischeweiten.de. „Das Einfangen und Vernichten dunkler Materie in Neutronensternen würde eine Heizquelle darstellen, die verhindert, dass der Stern wirklich kalt wird.“

Das bedeutet, dass Neutronensterne, wenn sie als „Fallen für dunkle Materie“ fungieren können, eine thermische Signatur aussenden könnten. Wenn diese nachgewiesen werden kann, könnten Neutronensterne als rudimentäre „Dunkle-Materie-Detektoren“ fungieren, die den Wissenschaftlern bei der Suche nach dieser eigentlich unsichtbaren Form der Materie helfen würden.

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Was es braucht, um dunkle Materie zu umgarnen

Ein Neutronenstern entsteht, wenn einem Stern, der mindestens achtmal so massiv ist wie die Sonne, der Brennstoff ausgeht, den er für die in seinem Kern stattfindende Kernfusion benötigt. Damit endet die durch den Strahlungsdruck nach außen gerichtete Kraft, die den Stern gegen die nach innen gerichtete Kraft seiner eigenen Schwerkraft über Millionen oder manchmal Milliarden von Jahren gestützt hat.

Infolgedessen kollabiert der Kern des Sterns und sendet Schockwellen aus, die eine Supernova auslösen. Diese Schockwelle sprengt die äußeren Schichten des sterbenden Sterns sowie den größten Teil seiner Masse weg und hinterlässt einen Sternkern mit einer Masse, die ein- bis zweimal so groß ist wie die der Sonne, der auf eine Breite von etwa 20 Kilometern kollabiert ist.

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

Die Zerkleinerung einer Masse, die mehr als einer halben Million Erden entspricht, in einen Körper, der innerhalb der Stadtgrenzen von Chicago Platz finden könnte, hat natürlich extreme Auswirkungen auf die Materie dieses stellaren Kerns. Dabei werden Elektronen und Protonen zusammengepresst, wodurch ein Meer von Neutronen entsteht, also Teilchen, die normalerweise nur im Inneren von Atomen vorkommen. Dieses Neutronenmeer, aus dem ein Neutronenstern besteht, ist so dicht, dass ein einziger Esslöffel davon auf der Erde über 1 Milliarde Tonnen wiegen würde. Das ist ungefähr so viel wie der Mount Everest.

Neutronensterne bestehen also aus der dichtesten Materie im bekannten Universum, und deshalb glauben Wissenschaftler, dass ihre Gravitationseinflüsse groß genug sein könnten, um die dunkle Materie einzuschließen – die zwar nicht mit Licht und Materie interagiert, wohl aber mit der Gravitation.

Bell erklärt, dass die Vernichtung dunkler Materie vermutlich häufig stattfand, als das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum weniger als eine Sekunde alt war, dass sie aber im heutigen Universum nur selten auftritt. Die einzige Ausnahme sind Regionen, in denen es viel dunkle Materie gibt.

Und wenn sich die dunkle Materie tatsächlich im Inneren von Neutronensternen ansammeln kann, dann, so fanden Bell und Kollegen heraus, würde dies genau diese an dunkler Materie reiche Umgebung bieten, die es ihr ermöglicht, im gealterten Universum zu vernichten.

„Man könnte eine Menge dunkler Materie auf kleinem Raum haben, so dass in diesen Sternen eine beträchtliche Menge dunkler Materie vernichtet werden könnte“, so Bell.

Bell fügte hinzu, dass die Wissenschaftler bei Experimenten mit dunkler Materie in Labors auf der Erde nach Signalen von Teilchen der dunklen Materie suchen, die mit gewöhnlicher Materie wechselwirken, aber Neutronensterne haben in dieser Hinsicht einen natürlichen Vorteil.

„Im Labor suchen wir nach Kollisionen zwischen Teilchen der dunklen Materie und Atomkernen“, sagt sie. „Aber wenn das möglich ist, muss die dunkle Materie auch mit den Neutronen und Protonen in Neutronensternen kollidieren können. Und Neutronensterne haben eine Menge Neutronen.“

Darüber hinaus stellte Bell bei ihren Untersuchungen zu Neutronensternen und dunkler Materie überrascht fest, dass die immense Schwerkraft von Neutronensternen eine weitere Bedingung schaffen könnte, die die Selbstwechselwirkung von Teilchen der dunklen Materie in diesen toten Sternen noch wahrscheinlicher macht.

„Dunkle Materie wird auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, wenn sie in einen Neutronenstern einfällt“, so Bell. „Dies ist nützlich, weil es die Geschwindigkeit der Wechselwirkungen erhöhen kann, was uns möglicherweise erlaubt, einige Arten von Wechselwirkungen der dunklen Materie zu untersuchen, die in Experimenten auf der Erde fast unmöglich zu sehen wären.“

Ein Querschnitt durch einen Neutronenstern, der mit exotischer Quark-Materie gefüllt ist, aber könnten diese toten Sterne etwas noch Exotischeres verbergen? (Bildnachweis: Jyrki Hokkanen/CSC)

Das Team untersuchte daher auch, wie lange es dauert, bis Neutronensterne und die von ihnen eingefangene dunkle Materie einen Zustand erreichen, der „thermisches Gleichgewicht“ genannt wird. Dies ist der Punkt, an dem zwei Substanzen die gleiche Temperatur erreichen und keine Wärme mehr zwischen ihnen fließt.

Diese Untersuchung ergab, dass ein mit dunkler Materie gesättigter Neutronenstern das thermische Gleichgewicht in einem Zeitraum von nicht mehr als 10.000 Jahren erreichen kann, je nach verwendetem Modell sogar in nur einem Jahr. In kosmischen Maßstäben ist dies nur ein Wimpernschlag.

NASA’s James Webb Space Telescope, hier in einer künstlerischen Illustration, könnte thermische Emissionen von Neutronensternen entdecken, die auf die Vernichtung dunkler Materie hindeuten. (Bildnachweis: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez)

Um diese Theorie zu bestätigen, müssten die Forscher die Temperatur von Neutronensternen messen. Wenn sich herausstellt, dass diese extrem toten Sterne heißer sind als erwartet, würde dies zeigen, dass in ihrem Inneren tatsächlich Teilchen aus dunkler Materie vernichtet werden. Eine solche Entdeckung wäre jedoch kein leichtes Unterfangen, da nur ältere und kältere Neutronensterne Wärmestrahlung aussenden, die nicht von anderem Licht überlagert wird. Dazu wäre das leistungsstärkste Beobachtungsinstrument erforderlich, das die Menschheit je ins All geschossen hat: Das James-Webb-Weltraumteleskop.

„Die Neutronensterne, an denen wir am meisten interessiert sind, sind sehr kalte Sterne, die schwer zu sehen sind“, fügte Bell hinzu. „Die Temperaturen dieser Sterne würden zu einer Emission im nahen Infrarot führen, die mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) zu sehen sein könnte“.

Das mangelnde Verständnis von Neutronensternen könnte bedeuten, dass dieses Modell der dunklen Annihilation leichter mit der Art von stellaren Überresten zu testen ist, die zurückbleiben, wenn kleinere Sterne wie die Sonne sterben: Weiße Zwerge.

„Neutronensterne eignen sich aufgrund ihrer extremen Dichte gut zum Einfangen dunkler Materie. Aber sie sind auch relativ schlecht erforschte Sterne“, schloss Bell. „Ähnliche Ideen lassen sich auf andere Sterne anwenden, die wir besser verstehen, wie zum Beispiel Weiße Zwerge.“

Wenn sich die Theorie als richtig erweist, würde sie nicht nur ein Licht auf die dunkle Materie werfen, sondern auch den Wissenschaftlern helfen, die Entwicklung von Neutronensternen besser zu verstehen.

Die Forschungsarbeit von Bell und Kollegen, die noch nicht von Fachleuten begutachtet wurde, ist auf der Website arXiv verfügbar.