Die ersten Sterne des Universums waren ganz anders als die Sterne, die wir heute sehen. Sie bestanden ausschließlich aus Wasserstoff und Helium, ohne schwerere Elemente, die ihnen bei der Energieerzeugung in ihrem Kern helfen würden. Infolgedessen waren sie wahrscheinlich hunderte Male massereicher als die Sonne. Aber einige der ersten Sterne waren möglicherweise noch seltsamer. Im frühen Universum könnte die dunkle Materie konzentrierter gewesen sein als heute, und sie könnte seltsame Sternobjekte, sogenannte dunkle Sterne, angetrieben haben.
Da dunkle Materie und reguläre Materie unter der Schwerkraft ähnlich wirken, könnten Klumpen dunkler Materie im frühen Universum Wolken aus Wasserstoff und Helium um sich herum gesammelt haben. Als diese Materie unter ihrem eigenen Gewicht zusammenbrach, könnte dunkle Materie in ihrem Kern Energie erzeugt haben. In einigen Modellen der Dunklen Materie können die Teilchen vernichten und dabei Gammastrahlen und Neutrinos erzeugen. Diese hochenergetischen Teilchen würden verhindern, dass die Wolke kollabiert, ähnlich wie die Kernfusion einen normalen Stern erhält.
Diese dunklen Sterne wären gigantisch gewesen und hätten einen Durchmesser von Zehntausenden, sogar Hunderttausenden Malen größer als die Sonne. Aber sie wären dunkel und von relativ geringer Dichte gewesen. Wenn sie existieren würden, wären sie zu schwach und zu weit entfernt gewesen, als dass aktuelle Teleskope sie entdecken könnten. Aber das römische Weltraumteleskop Nancy Grace, früher WFIRST genannt, könnte leistungsstark genug sein, um sie zu finden.
Der Start des römischen Teleskops ist für Mai 2027 geplant. Es wird ein Weitfeld-Infrarotteleskop sein, das sich gut für die Erkundung des dunklen und fernen Randes des Kosmos eignet. Laut einem kürzlich veröffentlichten Artikel auf der arXiv Auf dem Preprint-Server könnte Roman möglicherweise supermassive dunkle Sterne mit Massen von mehr als 100.000 Sonnen beobachten. Aber dunkle Sterne dieser Größenordnung waren wahrscheinlich nicht häufig. Eine bessere Schätzung ist, dass dunkle Sterne etwa 10.000 Sonnenmassen hatten. Mit Hilfe der Gravitationslinse könnte Roman möglicherweise einen dunklen Stern dieser Masse sehen, aber die Autoren schlagen eine bessere Methode vor, indem sie Beobachtungen von Roman mit denen des James Webb-Weltraumteleskops kombinieren.
Ihre Idee besteht darin, Kandidaten für dunkle Sterne mithilfe von Roman zu identifizieren, wobei zu berücksichtigen ist, dass die photometrischen Beobachtungen dunkle Sterne nicht von kleinen jungen Galaxien unterscheiden können. Ein Merkmal, das die Galaxien von dunklen Sternen unterscheidet, ist, dass letztere eine Heliumemissionslinie namens λ1640 aufweisen sollten, die Webb erkennen kann. Roman ist besser geeignet, Kandidaten zu finden, und Webb kann sie bestätigen. Es ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie sich die Stärken verschiedener Teleskope ergänzen können.
Wenn dieser Ansatz im nächsten Jahrzehnt erfolgreich ist, könnte er den Astronomen helfen, ein anderes kosmologisches Rätsel zu verstehen, nämlich das der supermassiven Schwarzen Löcher. Wir verstehen immer noch nicht, wie solch massereiche Schwarze Löcher im frühen Universum so schnell entstehen konnten, aber eine Theorie besagt, dass sie möglicherweise von diesen dunklen Sternen gesät wurden. Da ihre Dunkle-Materie-Kerne aufhörten, Energie zu erzeugen, könnten diese Sterne schnell genug kollabiert sein, um ein massives Schwarzes Loch zu bilden, das mit der Zeit zu einem supermassereichen Schwarzen Loch heranwachsen könnte.
Aus dem schwachen Licht eines dunklen Sterns können wir viel lernen.
Mehr Informationen:
Saiyang Zhang et al, Erkennbarkeit supermassiver dunkler Sterne mit dem römischen Weltraumteleskop, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2306.11606