Eine Illustration zeigt einen unsterblichen Stern, der durch die Annihilation dunkler Materie in seinem Inneren aufrechterhalten wird (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
„Alle guten Dinge müssen ein Ende haben.“ Dieses Sprichwort gilt sowohl für den Kosmos als auch für die Erde.
Wir wissen, dass Sterne, wie alles andere auch, sterben müssen. Wenn ihnen der für die Kernfusion benötigte Brennstoff ausgeht, kollabieren Sterne aller Größenordnungen unter ihrer eigenen Schwerkraft und sterben, um einen dichten kosmischen Überrest wie einen weißen Zwerg, einen Neutronenstern oder ein schwarzes Loch zu bilden. Unser eigener Stern, die Sonne, wird dieses Schicksal in etwa 5 Milliarden Jahren ereilen, wobei er sich zunächst zu einem Roten Riesen aufbläht und die inneren Planeten, einschließlich der Erde, auslöscht. Nach etwa 1 Milliarde Jahren wird auch diese Phase enden, und der Kern der Sonne wird als weißer Zwerg glühen, umgeben von einer Wolke kosmischer Asche in Form von abkühlendem Sternenmaterial.
Wissenschaftler haben das Hertzsprung-Russell-Diagramm entwickelt, eine Darstellung des Lebens, des Lebens nach dem Tod und des Todes von Sternen. Dieses Diagramm verfolgt die Entwicklung von Sternen aller Massen, von wasserstoffverbrennenden Hauptreihensternen bis zu dichten kosmischen Überresten.
Neue Forschungen haben jedoch ergeben, dass einige Sterne im Herzen unserer Galaxie unseren besten Modellen über das Leben und Sterben von Sternen die Stirn bieten könnten. Diese Sterne könnten sich von dunkler Materie, dem geheimnisvollsten Stoff des Universums, ernähren, um sich selbst kosmische Unsterblichkeit zu verleihen, was die Erstellung eines „dunklen Hertzsprung-Russell-Diagramms“ erforderlich macht.
„Das galaktische Zentrum der Milchstraße ist eine sehr extreme Umgebung und unterscheidet sich stark von unserem Standort in der Milchstraße“, sagt die Leiterin des Forschungsteams Isabelle John vom Kavli-Institut für Teilchenastrophysik und Kosmologie gegenüber kosmischeweiten.de. „Die Sterne, die dem galaktischen Zentrum am nächsten sind, die so genannten ‚S-Cluster-Sterne‘, sind sehr rätselhaft: Sie zeigen eine Reihe von Eigenschaften, die sonst nirgendwo zu finden sind: Es ist nicht klar, wie sie so nahe an das Zentrum gekommen sind, wo die Umgebung vermutlich eher feindlich für die Sternentstehung ist“, fügte John hinzu, und fügte hinzu, dass diese S-Cluster-Sterne, die nur etwa drei Lichtjahre vom Herzen unserer Galaxie entfernt sind, auch viel jünger zu sein scheinen, als man erwarten würde, wenn die Sterne von anderswo in der Milchstraße in diese Region gewandert wären. „Noch rätselhafter ist, dass die Sterne nicht nur ungewöhnlich jung aussehen, sondern dass es auch weniger ältere Sterne gibt als erwartet“, fuhr sie fort. „Außerdem scheint es unerwartet viele schwere Sterne zu geben.“
Das galaktische Zentrum der Milchstraße, gesehen von GRAVITY, zeigt zwei S-Cluster-Sterne (Bildnachweis: ESO/MPE/S. Gillessen et al.)John und seine Kollegen vermuten, dass ein Grund für diese ungewöhnlichen Merkmale darin liegen könnte, dass diese Sterne große Mengen an dunkler Materie ansammeln, die dann in ihnen vernichtet wird. Dieser Prozess könnte sie mit einer völlig neuen und unerwarteten Form von Brennstoff versorgen.
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„Unsere Simulationen zeigen, dass Sterne allein mit dunkler Materie als Brennstoff überleben können, und da es in der Nähe des galaktischen Zentrums eine extrem große Menge an dunkler Materie gibt, werden diese Sterne unsterblich“, fügte John hinzu. „Das ist sehr faszinierend, denn unsere Simulationen zeigen ähnliche Ergebnisse wie die Beobachtungen von S-Haufen-Sternen: Dunkle Materie als Brennstoff hält die Sterne ewig jung.“
„Die Idee der unsterblichen Sterne“, so John weiter, „kann viele der ungewöhnlichen Eigenschaften der S-Cluster-Sterne auf einmal erklären. Wenn die Sterne im galaktischen Zentrum aufgrund der hohen Dichte der dunklen Materie unsterblich werden, kann dies die ungewöhnlich große Fülle an scheinbar jungen Sternen im galaktischen Zentrum erklären und gleichzeitig das Fehlen älterer Sterne.“
Die dunkle Materie ist ihr eigener schlimmster Feind
Dunkle Materie ist für Physiker ein Problem, denn sie macht schätzungsweise 85 % des Universums aus und ist für uns unsichtbar, da sie nicht mit Licht wechselwirkt. Außerdem scheint die dunkle Materie nicht mit der „gewöhnlichen Materie“ zu interagieren. Diese gewöhnliche Materie besteht aus Protonen, Neutronen und Elektronen und umfasst alle Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden, Kometen, Gas, Staub und Lebewesen im Universum.
Wissenschaftler können das Vorhandensein dunkler Materie nur vermuten, weil sie mit der Schwerkraft wechselwirkt, und diese Wechselwirkung kann die gewöhnliche Materie und sogar das Licht beeinflussen. Wenn es jedoch Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und gewöhnlicher Materie gibt, sind diese selten und schwach; Wissenschaftler glauben nicht, dass wir jemals eine solche Wechselwirkung entdeckt haben.
Weniger sicher ist, ob die dunkle Materie mit sich selbst wechselwirkt. Um zu verstehen, was das bedeutet, muss man sich vergegenwärtigen, dass alle gewöhnlichen Materieteilchen eine Antimaterieversion von sich selbst haben. So gibt es zum Beispiel für ein negativ geladenes Elektron ein positiv geladenes Antiteilchen, das Positron. Und wenn Materie und Antimaterie aufeinander treffen, vernichten sie sich gegenseitig und setzen dabei Energie frei.
Kandidaten für Teilchen aus dunkler Materie, „WIMPS“ genannt, treffen aufeinander und vernichten sich, wobei ein Schauer aus bekannten Teilchen und Energie in Form von Photonen entsteht. (Bildnachweis: Gao Linqing und Lin Sujie)
„Die Annihilation dunkler Materie ist analog zur Annihilation von Materie und Antimaterie: Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinandertreffen, werden sie zerstört und erzeugen andere Teilchen, zum Beispiel Photonen. In ähnlicher Weise könnten auch Teilchen der dunklen Materie auf diese Weise vernichtet werden“, so John. „In vielen Modellen der dunklen Materie werden die Teilchen der dunklen Materie als ihr eigenes Antiteilchen betrachtet, was bedeutet, dass zwei beliebige Teilchen der dunklen Materie miteinander annihilieren können.“
Wir sehen die Annihilation dunkler Materie jedoch nicht, also muss sie ziemlich selten sein. Das bedeutet, so John, dass sie eher in einer Umgebung auftritt, in der riesige Mengen an dunkler Materie zusammengepfercht werden können. Vielleicht ist die ultradichte Region im Herzen eines Sterns der Ort, an dem die Schwerkraft, mit der die dunkle Materie wechselwirkt, am stärksten ist.
Kann die Sonne auch unsterblich werden?
Hauptreihensterne verbrennen während ihrer Lebenszeit Wasserstoff in Kernfusionsprozessen. Dabei entsteht Helium, der größte Teil der Energie des Sterns, und der nach außen gerichtete „Strahlungsdruck“, der den nach innen gerichteten Druck der eigenen Gravitationskräfte des Sterns ausgleicht. Dieses kosmische Tauziehen zwischen Strahlungsdruck und Schwerkraft dauert Millionen oder sogar Milliarden von Jahren an und hält diese Sterne in einem stabilen Gleichgewicht.
„Die meiste Zeit des Lebens eines Sterns finden diese Prozesse hauptsächlich im Kern des Sterns statt, wo der Gravitationsdruck am höchsten ist“, so John. „Wir zeigen, dass, wenn Sterne eine große Menge dunkler Materie ansammeln, die dann im Inneren des Sterns vernichtet wird, auch ein Druck nach außen entstehen kann, der den Stern stabil macht, und zwar eher durch die Vernichtung dunkler Materie als durch Kernfusion. Sterne können also dunkle Materie anstelle von Wasserstoff als Brennstoff verwenden: „Sterne verbrauchen ihren Wasserstoff, was schließlich zu ihrem Tod führt. Dunkle Materie hingegen kann kontinuierlich gesammelt werden, was diese Sterne unsterblich macht.“
Könnte sich die Sonne also selbst Unsterblichkeit verleihen, indem sie auf diese alternative Brennstoffquelle umsteigt? John glaubt nicht. Sie befindet sich in der Mitte eines der Spiralarme der Milchstraße und damit am falschen Ort in unserer Galaxie, um Zugang zu diesem dunklen Jungbrunnen zu erhalten.
„Sterne brauchen sehr große Mengen an dunkler Materie, um die Kernfusion effizient zu ersetzen. Im größten Teil der Milchstraße ist die Dichte der dunklen Materie nicht hoch genug, um die Sterne wesentlich zu beeinflussen. Aber im galaktischen Zentrum ist die Dichte der dunklen Materie sehr hoch, möglicherweise viele Milliarden Mal höher als auf der Erde, was die Menge an dunkler Materie liefert, die nötig ist, um Sterne unsterblich zu machen“, erklärt Jon. „Unsere Sonne ist also nicht unsterblich.“
Die Position des Sonnensystems in der Mitte des galaktischen Zentrums bedeutet, dass es nicht unsterblich wird, wenn es sich von dunkler Materie ernährt (Bildnachweis: NASA / JPL-Caltech / R. Hurt (SSC-Caltech))
John fügte hinzu, dass die Ergebnisse des Teams möglicherweise viele Geheimnisse über die dunkle Materie selbst sowie über die unsterblichen Sterne, die sie antreiben könnte, enthüllen.
„Unsere Ergebnisse sagen uns, dass die dunkle Materie mit gewöhnlichen Teilchen streuen kann, was notwendig ist, um die Teilchen der dunklen Materie im Inneren des Sterns zu verlangsamen, damit sie eingefangen werden können – und auch, dass die Teilchen der dunklen Materie sich gegenseitig vernichten können“, sagte sie. „Indem wir die Verteilung der unsterblichen Sterne um das galaktische Zentrum beobachten, würden wir auch einige Informationen über die Verteilung und Dichte der dunklen Materie um das galaktische Zentrum erhalten.“
John erklärte, dass die Astronomen zur Überprüfung dieser Erkenntnisse genauere Beobachtungen der innersten Sterne der Milchstraße benötigen, um festzustellen, ob diese Sterne in einer „dunklen Hauptreihe“ liegen, was ein Hinweis auf ihre Unsterblichkeit sein könnte.
Sie wollen auch die Auswirkungen der Vernichtung dunkler Materie auf verschiedene Sterne bestimmen. Erste Simulationen deuten darauf hin, dass hellere Sterne „aufgebläht“ werden und ihre äußeren Schichten abwerfen, wenn sie zu diesem dunklen Brennstoff wechseln. Dies könnte die Natur der so genannten „G-Objekte“ erklären, die im galaktischen Zentrum zu finden sind, d. h. Sternkörper, die von Gaswolken umgeben zu sein scheinen.
„Bislang hat sich unsere Arbeit auf Hauptreihensterne konzentriert. Wir wollen auch verstehen, wie sich die dunkle Materie auf Sterne in späteren Entwicklungsstadien auswirkt, wenn sie sich von der Hauptreihe entfernt haben und andere Kernfusionsprozesse durchlaufen“, so Johns. „Unsere Ergebnisse sind aufregend, weil sie zeigen, dass Sternbeobachtungen eine zusätzliche und einzigartige Möglichkeit bieten, die Wechselwirkungen der dunklen Materie mit der gewöhnlichen Materie zu untersuchen und zu verstehen“, so Johns.
