Dunkle Materie könnte die innersten Sterne unserer Galaxie unsterblich machen

Sterne im Zentrum unserer Galaxie verhalten sich seltsam. Die Erklärung könnte dunkle Materie sein.

Ein Team wissenschaftlicher Detektive (sozusagen) hat eine potenzielle neue Klasse von Sternen entdeckt, die innerhalb eines Lichtjahres vom Zentrum der Milchstraße existieren könnte und nach einem ungewöhnlichen Mechanismus funktionieren könnte: der Vernichtung dunkler Materie. Dieser Prozess würde einen Druck nach außen auf die Sterne ausüben, der über die Wasserstofffusion hinausgeht und sie vor dem Kollaps durch Gravitation bewahrt – und sie praktisch unsterblich macht, da ihre Jugend ständig erneuert wird. Die Ergebnisse sind veröffentlicht auf der arXiv Preprint-Server.

Zusammen würden die von dunkler Materie angetriebenen Sterne einen neuen Bereich eines seit langem bestehenden Diagramms besetzen, das Sterne nach ihrer Temperatur und Leuchtkraft klassifiziert, und sie damit abseits der sogenannten Hauptreihe platzieren, in der die überwiegende Mehrheit der Sterne existiert.

Die Beobachtung unseres galaktischen Zentrums, um das die Sterne der Galaxie rotieren, ist ziemlich schwierig, da die Region extrem hell ist. Im Zentrum befindet sich ein supermassives Schwarzes Loch, Sagittarius A*, mit einer Masse, die vier Millionen Mal so groß ist wie die der Sonne. Es ist eine helle Quelle von Radiowellen und wurde 2022 fotografiert. Sterne in der Nähe von Sgr A* umkreisen es mit Geschwindigkeiten von mehreren Tausend Kilometern pro Sekunde (im Vergleich zur Umlaufgeschwindigkeit der Sonne von 240 km/s).

Diese nahen inneren Sterne, die S-Cluster-Sterne genannt werden, sind sehr rätselhaft, da sie Eigenschaften aufweisen, die keinem anderen Stern in der Milchstraße eigen sind. Ihr Ursprung ist unbekannt, da die Umgebung innerhalb von etwa drei Lichtjahren um das Zentrum als sternentstehungsfeindlich gilt. Sie scheinen viel jünger zu sein, als man erwarten würde, wenn sie sich von irgendwo anders nach innen bewegt hätten. Am geheimnisvollsten ist jedoch, dass sie ungewöhnlich jung aussehen, da sich in ihrer Umgebung weniger ältere Sterne befinden als erwartet, und auch unerwarteterweise scheinen viele schwere Sterne vorhanden zu sein.

Sterne sind Atomöfen, die durch die Kernfusion Hitze erzeugen, indem sie Wasserstoff verbrennen. Die thermische Strahlung dieser Reaktion sowie die thermodynamische Konvektion des Sternplasmas üben eine nach außen gerichtete Kraft auf die Bestandteile des Sterns aus – hauptsächlich Wasserstoff und Helium. Diese Kraft wird durch die nach innen gerichtete Kraft der Eigengravitation ausgeglichen.

Der Hertzsprung-Russell-Diagramm (HR-Diagramm) klassifiziert Sterne, indem ihre Leuchtkraft gegen die effektive Temperatur ihrer Oberfläche aufgetragen wird. Mit Ausnahme von Weißen Zwergen und Roten Riesen verläuft die „Hauptreihe“ dieses Diagramms von links oben nach rechts unten, und die meisten Sterne liegen auf dieser Kurve. (Die Sonne liegt in der Nähe der Mitte, da ihre Leuchtkraft als Verhältnis zur Sonne aufgetragen wird.) Sterne an verschiedenen Stellen der Reihe entsprechen Sternen unterschiedlicher Masse und unterschiedlichen Alters.

Allerdings gibt es auch dunkle Materie in der Galaxie. Ihre Anwesenheit wurde gefolgert durch Beobachtungen, die nicht genügend gewöhnliche Materie finden, um die höheren als erwarteten Rotationsgeschwindigkeiten der Sterne um das galaktische Zentrum zu erklären.

Die Dichte der Dunklen Materie ist in der Nähe des Zentrums am höchsten und nimmt mit zunehmender Entfernung davon ab. Man kann davon ausgehen, dass sie in Sternen in der Nähe des Zentrums enthalten ist, wo die Dunkle Materie am dichtesten ist. Wenn das zutrifft, würde die Vernichtung Dunkler Materie – Dunkle Materieteilchen und Antiteilchen, die kollidieren und Photonen, Elektronen usw. erzeugen – einen zusätzlichen Druck nach außen innerhalb eines Sterns ausüben und könnte sogar die Kernfusion dominieren.

Ein Forschungsteam aus Stockholm und Stanford hat herausgefunden, dass sich viele der bekannten Paradoxe lösen lassen, wenn man die Kraft der Dunklen Materie in die Dynamik der innersten Sterne einbezieht – also jener, die sich etwa ein Drittel eines Lichtjahres vom Zentrum entfernt befinden (das entspricht etwa 8 Prozent der Entfernung zum sonnennächsten Stern).

Um die Vernichtung dunkler Materie zu berücksichtigen, verwendete die Gruppe relativ standardmäßige Sternentstehungsparameter im Verlauf der Entwicklung der Milchstraße und dunkle Materieteilchen, die nur geringfügig massereicher sind als das Proton. Mithilfe eines Computermodells zur Sternentwicklung nahmen sie an, dass Sterne auf der Hauptreihe in Richtung des galaktischen Zentrums wandern, und begannen dann, dunkle Materieenergie in die Zusammensetzung eines Sterns zu injizieren. Der Stern entwickelte sich dann, bis er den roten Riesenast im HR-Diagramm erreichte oder bis er ein Alter von 10 Milliarden Jahren erreichte, der Lebensdauer der Milchstraße.

Sie berechneten Sternpopulationen mit und ohne Dunkle Materie. Mit Dunkler Energie hatten massereichere Sterne eine geringere Dunkle-Materie-Dichte, und der Wasserstoff in ihrem Kern fusionierte langsamer, und ihre Entwicklung wurde verlangsamt. Sterne in einem Bereich mit höherer Dunkle-Materie-Dichte veränderten sich jedoch erheblich – sie hielten ihr Gleichgewicht aufrecht, indem Dunkle Materie mit weniger oder keiner Fusion verbrannte, was zu einer neuen Sternpopulation in einem HR-Bereich oberhalb der Hauptreihe führte.

„Unsere Simulationen zeigen, dass Sterne allein mit Dunkler Materie als Brennstoff überleben können“, sagte die leitende Co-Autorin Isabelle John von der Universität Stockholm. „Und weil es in der Nähe des galaktischen Zentrums eine extrem große Menge Dunkler Materie gibt, werden diese Sterne unsterblich.“ Sie bleiben für immer jung und besetzen einen neuen, deutlich erkennbaren Bereich des HR-Diagramms.

Ihr Modell der Dunklen Materie könnte möglicherweise noch mehr der bekannten Rätsel erklären. „Bei leichteren Sternen sehen wir in unseren Simulationen, dass sie sehr aufgedunsen werden und vielleicht sogar Teile ihrer äußeren Schichten verlieren“, sagte John. Sie merkte an, dass „etwas Ähnliches im galaktischen Zentrum zu beobachten sein könnte: die sogenannten G-Objekte, die sternähnlich sein könnten, aber von einer Gaswolke umgeben sind.“

Es ist nur eine begrenzte Anzahl einzelner Sterne bekannt, die so nahe am galaktischen Zentrum existieren, da die Region ist extrem hellZukünftige 30-Meter-Teleskope werden einen deutlich besseren Blick in die Region ermöglichen, wodurch Wissenschaftler die Population der dortigen Sterne besser verstehen und die dunkle Hauptreihe bestätigen oder ausschließen können.

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