Eine Illustration von zwei Neutronensternen, die kollidieren und verschmelzen, um eine Kilonova-Explosion zu erzeugen, die nach neuen Forschungsergebnissen eine perfekte Kugel sein könnte (Bildnachweis: Robin Dienel/Carnegie Institution for Science)
Die Kollision zweier Neutronensterne rund 130 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt und die einzigartige Physik, die bei dieser Verschmelzung entstanden ist, könnte neues Licht auf die dunkle Materie geworfen haben.
Neue Forschungen des Physikers Bhupal Dev von der Washington University deuten darauf hin, dass die Neutronensternverschmelzung, die hier auf der Erde als Gravitationswellensignal GW170817 entdeckt wurde, dazu beitragen könnte, hypothetische Teilchen namens „Axionen“, einen der Hauptkandidaten für dunkle Materie, näher zu bestimmen.
Axionen wurden noch nie direkt nachgewiesen, aber sie tauchen in vielen Modellen auf, die die Physik über das so genannte Standardmodell der Teilchenphysik hinaus erweitern, das unsere derzeit beste Beschreibung subatomarer Teilchen und ihrer Wechselwirkung untereinander ist.
Dunkle Materie ist für Wissenschaftler eine Herausforderung, weil sie nicht mit dem Licht interagiert, d. h. sie ist für unsere Augen praktisch unsichtbar. Dunkle Materie zeigt auch einen offensichtlichen Mangel an Wechselwirkung mit anderen Kräften wie der elektromagnetischen Kraft. Aufgrund dieser seltsamen Eigenschaften kann dunkle Materie nicht aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen, den Bestandteilen normaler Materie, aus denen Sterne, Planeten, unsere Körper und alles, was uns tagtäglich umgibt, bestehen.
Dieses Rätsel wird noch dadurch vergrößert, dass die alltägliche Materie, die wir kennen und die im Standardmodell enthalten ist, nur 15 % der gesamten Materie im Universum ausmacht.
„Wir haben guten Grund zu vermuten, dass eine neue Physik jenseits des Standardmodells gleich um die Ecke lauern könnte“, so Dev in einer Erklärung. „Extreme astrophysikalische Umgebungen, wie die Verschmelzung von Neutronensternen, bieten eine neue Gelegenheit für unsere Suche nach Teilchen des dunklen Sektors wie Axionen, die der Schlüssel zum Verständnis der fehlenden 85 % der gesamten Materie im Universum sein könnten.
Verstecken Axionen die Trümmer von Neutronensternen?
Neutronensterne entstehen, wenn massereiche Sterne ihre für die interne Kernfusion erforderlichen Brennstoffvorräte erschöpfen und sich nicht mehr gegen den nach innen gerichteten Druck ihrer eigenen Schwerkraft stemmen können. Wenn dieser kosmische Balanceakt, der seit Millionen von Jahren besteht, endet, werden die äußeren Schichten eines Sterns in einer gewaltigen Supernova-Explosion weggeschleudert.
Dabei bleibt ein kollabierter Sternkern mit der Masse der Sonne auf einer Breite von etwa 20 Kilometern zurück. Das ist ein Neutronenstern, der so genannt wird, weil er mit neutronenreicher Materie gefüllt ist. Neutronensterne sind so dicht, dass ein Teelöffel davon, wenn man ihn aufnimmt und zur Erde bringt, etwa 10 Millionen Tonnen wiegen würde. Das ist etwa 30 Mal so schwer wie das Empire State Building.
Diese Neutronensterne existieren nicht immer isoliert; manchmal kreisen sie um einen anderen Neutronenstern. Wenn diese Neutronensterne in einem solchen so genannten Neutronenstern-Binärsystem umeinander kreisen, erzeugen sie Wellen in der Raumzeit, die Gravitationswellen genannt werden. Wenn sich diese Raumzeitwellen nach außen ausbreiten, tragen sie Drehimpulse vom Doppelsternsystem weg, so dass sich die einzelnen Sternreste enger zusammenschließen. Dies setzt sich fort, bis die Schwerkraft der Neutronensterne die Oberhand gewinnt und sie zusammenstoßen und verschmelzen lässt.
Angesichts der extremen Natur von Neutronensternen überrascht es nicht, dass eine Kollision zwischen zwei solchen Sternüberresten turbulente physikalische Prozesse auslöst, die nirgendwo sonst im Universum zu beobachten sind. Wissenschaftler gehen sogar davon aus, dass die Verschmelzung von Neutronensternen die einzige Umgebung ist, die gewalttätig genug ist, um Elemente wie Gold und Silber zu schmieden, die schwerer als Eisen sind und die selbst die kochenden Herzen massereicher Sterne nicht erzeugen können.
Dies ist möglich, weil die Kollisionen von Neutronensternen Materie mit vielen freien Neutronen ausstoßen, die normalerweise nur in Atomkernen neben Protonen eingeschlossen sind und daher von Atomkernen in der Region verschluckt werden können, ein Phänomen, das als „rapid-capture process“ oder „r-process“ bezeichnet wird. Dadurch entstehen instabile, massive Atomkerne, die schließlich zu leichteren Elementen wie Gold zerfallen. Dieser Zerfall erzeugt auch das Licht, das die Astronomen von unserem Standpunkt auf der Erde aus als Kilonova sehen.
Bei der Verschmelzung entsteht auch ein kurzlebiger, dichter Überrest der beiden Neutronensterne, der schnell kollabiert und ein Schwarzes Loch entstehen lässt.
„Der Überrest wird etwa eine Sekunde lang viel heißer als die einzelnen Sterne, bevor er sich in einen größeren Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch verwandelt, je nach den ursprünglichen Massen“, erklärt Dev. Dev glaubt, dass dies bedeutet, dass der Überrest der ideale Produktionsort für exotische Teilchen wie Axionen ist.
Eine Illustration des Fermi-Weltraumteleskops, das Gammastrahlen (γ) direkt aus Neutronensternverschmelzungen und aus dem Zerfall der dabei entstehenden exotischen Teilchen nachweist. (Bildnachweis: P. S. Bhupal Dev, et al, 2024)
Diese Teilchen könnten dem Ort der Neutronensternverschmelzung entkommen und in andere Teilchen zerfallen, darunter auch Photonen, die Teilchen des Lichts. Dev und seine Kollegen gehen davon aus, dass der Zerfall dieser flüchtigen Teilchen ein einzigartiges elektromagnetisches Signal erzeugt, das von Gammateleskopen wie dem Fermi-Weltraumteleskop der NASA aufgefangen werden könnte.
Das Team ist der Meinung, dass dies bedeutet, dass sich Fermi und zukünftige Instrumente zur Erkennung von Gammastrahlen auf Neutronensternkollisionen konzentrieren könnten, um Daten zu sammeln, die das Verständnis der Wissenschaftler für Axionen und ähnliche Teilchen verbessern können.
Dies könnte schließlich zur Entdeckung der Teilchen führen, aus denen die dunkle Materie besteht, und damit eine der drängendsten Fragen der Kosmologie lösen: Woraus besteht die „fehlende Materie“ des Universums?
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am 5. März in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
