Eine NASA-Illustration eines „Dunkle-Materie-Sterns“.(Bildnachweis: NASA/JPL-Caltech)
Haben Sie jemals in den Nachthimmel geschaut und sich gefragt, was Sie nicht sehen? Der Himmel könnte voll von unsichtbaren „Bosonensternen“ sein, die aus einer exotischen Form von Materie bestehen, die nicht leuchtet.
Wir vermuten stark, dass das Universum voll von dunkler Materie ist, die etwa 25 % der gesamten Masse und Energie im Kosmos ausmacht. Aber obwohl es viele Indizien gibt und wir glauben, dass es sich bei der dunklen Materie um eine Art unentdecktes Teilchen handelt, haben wir keine direkten Beweise für ein solches Teilchen.
Ein paar Jahrzehnte lang dachten wir, dass wir mit einer neuen Art von Teilchen, einem so genannten schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMP), auf dem richtigen Weg wären. Nach den Vorhersagen verschiedener Supersymmetrie-Theorien würde das WIMP eine Masse haben, die irgendwo im Bereich der schwereren bekannten Teilchen wie dem Top-Quark liegt. Aber ansonsten wäre es weitgehend unsichtbar und würde nur gelegentlich mit normaler Materie wechselwirken.
Aber bei der Suche nach WIMPs ist man bisher nicht fündig geworden. Das ist in Ordnung, denn die Natur ist nie verpflichtet, sich unserer ersten Vermutung anzuschließen. Zum Glück gibt es einen anderen Teilchenkandidaten, der in den Startlöchern steht: das Axion.
Das Axion wurde eingeführt, um ein unangenehmes Problem im Zusammenhang mit der starken Kernkraft zu lösen. Nach allen Beobachtungen gehorcht die starke Kraft zwei wichtigen Symmetrien in der Natur: Ladung und Parität. Das heißt, wenn man eine Wechselwirkung der starken Kraft nimmt, die Ladungen aller Teilchen auf ihre entgegengesetzten Werte setzt und die Reaktion im Spiegel betrachtet, erhält man das gleiche Ergebnis.
Aber nichts in der Theorie selbst besagt, dass sie diesen Symmetrien gehorchen sollte. Die Physiker versuchten, dieses Problem zu lösen, indem sie den Gleichungen einen neuen Parameter hinzufügten und diesen Parameter auf Null setzten, aber das wirkte etwas gezwungen. Dann kam eine geniale Lösung: Vielleicht stellte dieser neue Parameter ein neues Quantenfeld dar, und die Wechselwirkungen mit diesem Feld erzeugten auf natürliche Weise die Symmetrie.
Dies war das Axion, das nach einer Spülmittelmarke benannt wurde, weil es das Symmetrieproblem aus der Welt schaffte.
Wenn es Axionen gibt, würden sie sich hervorragend als dunkle Materie eignen, denn sie wären reichlich vorhanden und würden kaum oder gar nicht mit normaler Materie wechselwirken. Und sie würden auch einige wilde Dinge tun.
Axionen sind unglaublich leicht – Billionen über Billionen Mal leichter als selbst das Neutrino, das leichteste bekannte Teilchen. Bei solch geringen Massen würde sich ihre Quantenwellennatur in makroskopischen Maßstäben manifestieren. Zwar ist jedem Teilchen auch eine Welle zugeordnet, aber wir nehmen diese Wellen normalerweise nicht wahr oder kümmern uns nicht darum, es sei denn, wir haben es mit subatomaren Quantensystemen zu tun. Nicht so beim Axion, das seine Wellenlänge potenziell über eine ganze Galaxie ausbreiten kann.
Die zweite coole Sache an Axionen ist, dass sie Bosonen sind. Bosonen sind eine Art von Teilchen, die alle den gleichen Quantenzustand haben können, was bedeutet, dass man so viele von ihnen in ein kompaktes Volumen stopfen kann, wie man will. Das ist ähnlich wie bei Photonen (man kann so viel Licht in eine Schachtel packen, wie man will) und anders als bei Teilchen wie Elektronen (man kann nur so viele hineinpacken, bis die Schachtel voll ist).
Diese beiden Eigenschaften von Axionen bedeuten, dass sie außerordentlich gut darin sind, auf unglaublich hohe Dichten zu kollabieren, wobei sie durch ihre eigene (geringe) Schwerkraft zusammengezogen werden. Im Grunde genommen können sie eine Art Stern bilden. Er ist völlig unsichtbar, strahlt kein Licht aus und interagiert mit nichts, aber er ist trotzdem ein Stern.
Diese Sterne – die eine Vielzahl von Namen haben, einschließlich Axionsterne, Bosonensterne und dunkle Sterne – können klein sein, etwa die gleiche Masse wie normale, alltägliche Sterne. Sie können aber auch riesig sein und einen ganzen galaktischen Kern umspannen.
Die mögliche Existenz von Bosonensternen ist ein zweischneidiges Schwert. Einerseits kann sie den direkten Nachweis extrem erschweren. Solange ein Bosonenstern nicht zufällig durch unser Sonnensystem wandert und die Erde passiert, ist es unwahrscheinlich, dass wir Axionen in unseren Detektoren sehen.
Andererseits können Bosonensterne alle möglichen Dinge tun, die sie nachweisbar machen könnten, z. B. die Kernfusion in den Sternenkernen stören oder von selbst in einer so genannten Bosenova explodieren.
Wir wissen nicht, ob es Axionen gibt und wenn ja, ob sie für die dunkle Materie verantwortlich sind. Aber es macht trotzdem Spaß, sich ein Universum vorzustellen, in dem es von stillen, unsichtbaren, harmlosen dunklen Sternen wimmelt.
