Ein künstlerischer Vergleich von Weißen Zwergen mit gleicher Masse, aber unterschiedlichen Temperaturen. Der heißere Weiße Zwerg auf der linken Seite hat aufgeblähte äußere Schichten, während der kühlere auf der rechten Seite kompakter ist. (Bildnachweis: Roberto Molar Candanosa/Johns Hopkins University)
Weiße Zwerge geben immer mehr ihrer Geheimnisse preis: Je heißer sie sind, desto aufgeblähter sind ihre äußeren Schichten. Diese Erkenntnis mag zwar unwichtig klingen, aber das Verständnis der Struktur Weißer Zwerge könnte sich letztlich als Schlüssel zur Entdeckung der geheimnisvollen dunklen Materie erweisen.
Weiße Zwerge sind die Kernreste von sonnenähnlichen Sternen, die ihren gesamten nutzbaren Kernbrennstoff verbraucht haben. In fünf Milliarden Jahren wird sich unsere Sonne nach ihrer Phase des Roten Riesen in einen Weißen Zwerg verwandeln. Die äußeren Schichten der Sonne werden in die Tiefen des Weltraums geschleudert, wobei ihr perlmutterartiger Kern zum Vorschein kommt. Weiße Zwerge können die Masse eines Sterns in ein Volumen von der Größe der Erde packen, was bedeutet, dass sie extrem dicht sind – ein Esslöffel Material eines Weißen Zwerges kann Tonnen wiegen. Ihr Inneres stößt an die Grenzen der Physik, aber die Theorie kann Vorhersagen über Weiße Zwerge in Abhängigkeit von ihrer Masse und Temperatur machen.
Weiße Zwerge werden heiß geboren, oft im Bereich von etwa 180.000 Grad Fahrenheit (100.000 Grad Celsius), obwohl einige sogar noch heißer gefunden wurden. Dass sie so heiß sind, ist nicht verwunderlich – schließlich handelt es sich um den erloschenen Kern eines Sterns, der durch die Schwerkraft kontrahiert wurde, als er keine Energie mehr produzierte. Sie beginnen dann mit dem langsamen Prozess der Abkühlung im Laufe der Zeit.
Die Mindestgröße eines Weißen Zwergs wird durch den so genannten Elektronenentartungsdruck bestimmt. Im Inneren eines Weißen Zwerges können die Elektronen nur bis zu einem bestimmten Grad zusammengepresst werden, bevor quantenmechanische Effekte eine weitere Verdichtung verhindern. (Neutronensterne, die mehr Masse haben, sind in der Lage, den Elektronendegenerationsdruck aufzuheben, indem sie Elektronen und Protonen dazu zwingen, zu Neutronen zu verschmelzen; daher werden Neutronensterne durch den Neutronendegenerationsdruck gesteuert).
Damit ist die Mindestgröße eines Weißen Zwerges festgelegt, während die maximale Größe von seiner Masse (je massereicher, desto größer) und seiner Temperatur abhängt. Die Theorie sagt voraus, dass je heißer ein Weißer Zwerg ist, desto aufgeblähter sollten seine äußeren Schichten sein.
Nun haben Astronomen zum ersten Mal gezeigt, dass diese Theorie richtig ist. Forscher unter der Leitung von Nadia Zakamska von der Johns Hopkins University haben die gravitative Rotverschiebung des Lichts von mehr als 26.000 Weißen Zwergen gemessen, die in unserer Milchstraßengalaxie verstreut sind und vom Sloan Digital Sky Survey und der Raumsonde Gaia der Europäischen Weltraumorganisation beobachtet wurden. Die gravitative Rotverschiebung ist ein Effekt, der sich aus der Masse des Weißen Zwerges ergibt, die den Raum um ihn herum gemäß Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie verformt, was dazu führt, dass die Wellenlänge des Lichts des Weißen Zwerges gestreckt wird.
Kompaktere Weiße Zwerge haben eine starke Gravitationsrotverschiebung, weil ihre Schwerkraft stärker ist als die von voluminöseren Weißen Zwergen. Das Team von Zakamska fand heraus, dass die beobachteten gravitativen Rotverschiebungen tatsächlich mit den Vorhersagen übereinstimmen, dass heißere Weiße Zwerge bauschiger sind, selbst wenn sie die gleiche Masse wie kühlere Weiße Zwerge haben.
Also keine Überraschungen – aber die Ergebnisse sind möglicherweise wichtiger für das, was sie uns letztendlich verraten könnten. Denn die Astronomen können unser Verständnis der Weißen Zwerge als Grundlage für die Suche nach exotischeren Phänomenen wie dunkler Materie nutzen.
„Weiße Zwerge gehören zu den am besten charakterisierten Sternen, mit denen wir arbeiten können, um die zugrundeliegenden Theorien der normalen Physik zu testen, in der Hoffnung, dass wir vielleicht etwas Verrücktes finden, das auf eine neue fundamentale Physik hinweist“, sagte Nicole Crumpler von der Johns Hopkins University in einer Erklärung. „Wenn man nach dunkler Materie, Quantengravitation oder anderen exotischen Dingen suchen will, muss man die normale Physik besser verstehen. Andernfalls könnte etwas, das neuartig erscheint, nur eine neue Manifestation eines Effekts sein, den wir bereits kennen.“
Jahrzehntelang haben viele Astronomen darauf gesetzt, dass es sich bei der dunklen Materie um eine Art hypothetisches Teilchen namens WIMP handelt: ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen. Da es jedoch nicht gelungen ist, WIMPS nachzuweisen, ist ein anderer Kandidat in den Vordergrund gerückt: Axionen. Axionen, eine weitere Art hypothetischer Teilchen, werden von der Quantenchromodynamik vorhergesagt, die unsere beste Quantentheorie der starken Kraft ist, die Quarks zu Protonen, Neutronen und schließlich zu Atomkernen zusammenbindet.
In einer Galaxie, die von einem Halo aus WIMP-Dunkelmaterie durchdrungen ist, würden sich die WIMPs in der Nähe des Zentrums der Galaxie ansammeln und zum Rand der Galaxie hin gleichmäßig ausdünnen. Anders bei den Axionen: Quanteninterferenzmuster würden dazu führen, dass die Verteilung der Axionen im Halo der dunklen Materie einer Galaxie in Spitzen und Tälern verläuft, die sich jeweils über Tausende von Lichtjahren erstrecken.
Was hat das nun mit Weißen Zwergen zu tun? Wenn sich zwei (oder mehr) Weiße Zwerge in einem der Axionspitzen befinden, könnte die zusätzliche dunkle Materie ihre innere Struktur auf subtile Weise verändern, was sich in unerwarteten Schwankungen von Temperatur, Masse oder gravitativer Rotverschiebung bemerkbar machen würde, die wir nur erkennen können, weil wir Weiße Zwerge so gut verstehen.
„Deshalb ist es so wichtig, einfachere astrophysikalische Objekte wie Weiße Zwerge zu verstehen, denn sie geben uns die Hoffnung, herauszufinden, was dunkle Materie sein könnte“, sagt Crumpler.
Wir sind allerdings noch nicht am Ziel – es gibt noch mehr über Weiße Zwerge zu lernen.
„Die nächste Herausforderung könnte darin bestehen, die äußerst feinen Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Kerne von Weißen Zwergen unterschiedlicher Masse zu erkennen“, so Zakamska.
Die Erforschung der Weißen Zwerge bietet also nicht nur einen Blick in die Zukunft unserer Sonne, wenn sie in etwa fünf Milliarden Jahren zu einem Weißen Zwerg wird. Sie können auch ein Tor zu den Bereichen der allgemeinen Relativitätstheorie, der Quantenphysik und der dunklen Materie sein.
Die neuen Erkenntnisse wurden am 18. Dezember in der Zeitschrift The Astrophysical Journal veröffentlicht.
