Von dunkler Materie angetriebene Sterne wurden möglicherweise vom JWST – Physics World gesehen

Ein Trio US-Astronomen hat überzeugende Beweise für die Existenz „dunkler Sterne“ gefunden – hypothetische Objekte, die durch die Vernichtung dunkler Materie angetrieben werden. Dunkle Sterne könnten die unerwartete Fülle an antiken Galaxien erklären, die das James Webb Space Telescope (JWST) beobachtet.  Katherine Freese an der University of Texas, Austin zusammen mit Kosmin Ilie machen Jillian Paulin an der Colgate University kamen anhand von JWST-Daten zu dem Schluss, dass es sich bei drei dieser Galaxien tatsächlich um dunkle Sterne handeln könnte.

Weniger als zwei Jahre nach der Veröffentlichung der ersten Bilder hat JWST bereits das Verständnis der Astronomen über das frühe Universum verändert. Zu den überraschendsten Beobachtungen gehörte die schiere Anzahl extrem heller, uralter Galaxien, die sich in Regionen gebildet hätten, die reich an dunkler Materie sind.

Dunkle Materie ist eine hypothetische Substanz, die von Physikern zur Erklärung der großräumigen Struktur des Universums herangezogen wird. Obwohl es nie direkt beobachtet wurde, ist es Teil des aktuellen Standardmodells der Kosmologie – dem Lambda-Modell der kalten dunklen Materie (ΛCDM). Dies beschreibt die Struktur und Ausdehnung des Universums und berücksichtigt gleichzeitig den Gravitationseinfluss der Dunklen Materie.

Erwärmung der Dunklen Materie

In 2007, Freese und Kollegen schlugen die Möglichkeit „dunkler Sterne“ vor, was im frühen Universum möglicherweise üblich war. Diese exotischen Sterne bestehen zwar hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium, werden aber eher durch „Erwärmung der Dunklen Materie“ als durch Kernfusion angetrieben. Hierbei könnte es sich um eine Art Dunkle Materie handeln, die als schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs) bezeichnet wird. WIMPs sind in erdbasierten Nachweisexperimenten jahrzehntelang der Entdeckung entgangen, aber laut Freeses Team könnte die schiere Dichte der Dunklen Materie im frühen Universum dazu führen, dass sie während der Entstehung einiger der frühesten Sterne weitaus häufiger mit regulärer Materie interagieren.

Im frühen Universum „könnten WIMPs zu Photonen, Elektron-Positron-Paaren und anderen Teilchen vernichtet worden sein, die in kollabierenden Wolken mit dem Wasserstoff kollidierten“, erklärt Freese. „Diese Teilchen bleiben dann in der Wolke stecken und deponieren die gesamte Energie aus der Masse der Dunkle-Materie-Teilchen in der Wolke. Dann hört die Wolke auf zu kollabieren und verwandelt sich stattdessen in einen ‚dunklen Stern‘.“

Dunkle Sterne sind in jeder Hinsicht Sterne, da die enorme Schwerkraft ihrer kalten, einfallenden Materie durch den nach außen gerichteten hydrostatischen Druck, der durch energiefreisetzende Prozesse in ihrem Inneren erzeugt wird, perfekt ausgeglichen wird. Dennoch sagt Freese, dass sie einige wesentliche Unterschiede zu normalen Sternen aufweisen.

Durchgehend kühl

„Sie haben keine Kerne, im Gegensatz zu fusionsbetriebenen Sternen, die hohe Temperaturen benötigen, damit die Fusion stattfinden kann“, erklärt Freese. „Dunkle Sterne sind durchgehend kühl, auch an der Oberfläche, sodass sie keine ionisierenden Photonen oder Winde erzeugen, die sie daran hindern würden, Masse anzusammeln.“

Infolgedessen argumentieren Freese und Kollegen, dass dunkle Sterne eine Größe von etwa 10 AE und Millionen von Sonnenmassen erreichen. Dadurch können die Sterne noch mehr Teilchen dunkler Materie anziehen. Dabei kann ein „supermassiver“ dunkler Stern (SMDS) hell genug werden, um eine ganze Galaxie zu überstrahlen.

Normalerweise lassen sich Galaxien leicht von Sternen unterscheiden, da sie ausgedehnte Regionen des Weltraums einnehmen, während Sterne als einzelne Lichtpunkte erscheinen. Doch in so großen Entfernungen verfügt selbst JWST nicht über eine ausreichend hohe Auflösung, um zwischen Sternen und Galaxien zu unterscheiden. Wenn Freese und ihre Kollegen Recht haben, würde dies darauf hindeuten, dass antike Galaxien in den Daten von JWST so zahlreich vorkommen, weil viele von ihnen SMDSs sind.

Absorptionslinien

Um nach Hinweisen auf SMDS zu suchen, untersuchte das Trio Daten des JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Bei der Untersuchung suchten sie nach Hinweisen darauf, dass Licht bestimmter Wellenlängen von Kandidatensternen absorbiert wird. Sie interessierten sich insbesondere für die Helium-II-Absorptionslinie bei 1640 nm, die häufig in den Spektren heißer, heller Sterne beobachtet wird.

„Eine Helium-II-Absorptionslinie wäre ein schlagender Beweis für einen dunklen Stern, da Galaxien solche Linien nicht produzieren würden“, sagt Freese. „Wenn andere Elemente als Wasserstoff und Helium gefunden werden, dann ist es kein dunkler Stern.“

Hatte dunkle Materie eine abschreckende Wirkung auf das frühe Universum?

Bei der Suche mit JADES identifizierten sie mehrere Objekte, die ihren SMDS-Kriterien weitgehend entsprachen. „Wir haben herausgefunden, dass drei davon gut zu SMDSs passen“, fährt Freese fort. „Sie haben die richtigen Spektren, allerdings lässt sich anhand der Auflösung des Detektors noch nicht erkennen, ob es sich um punktförmige oder ausgedehnte Objekte handelt.“

Das Team hofft, dass JWST in Zukunft SMDS-Kandidaten aufspüren wird, die durch Gravitationslinsen vergrößert wurden – was die Auflösung weit genug erhöhen könnte, um zu bestätigen, dass es sich bei den Objekten tatsächlich um einzelne Lichtpunkte und nicht um ausgedehnte Galaxien handelt. „Wenn es sich bei einigen dieser frühen Objekte um dunkle Sterne und nicht um Galaxien handelt, würde das dazu beitragen, die Konsistenz der JWST-Beobachtungen mit dem Standardmodell der Kosmologie aufrechtzuerhalten“, sagt Freese.

Darüber hinaus könnte diese Bestätigung einen großen Durchbruch in unserem Verständnis der Natur der Dunklen Materie bedeuten und weitere Beweise für die Existenz von WIMPs liefern.

Die Forschung ist in der beschrieben Proceedings of the National Academy of Sciences.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/stars-powered-by-dark-matter-may-have-been-seen-by-the-jwst/