Computer simulieren „Dunkle Sterne“ aus Dunkler Materie im frühen Universum

Dunkle Sterne sind bislang ein rein hypothetisches Konstrukt. Theoretisch könnten sie sich im frühen Universum gebildet haben, als Dunkle Materie kondensierte und Teilchenauslöschungen die Materie aufheizten. Das Bild zeigt das Ergebnis einer neuen Simulation. Links bilden sich normale Sterne, wenn keine auslöschende Dunkle Materie präsent ist. Das rechte Bild zeigen, was passiert, wenn Dunkle Sterne den Prozess stören. (CfA)
Dunkle Sterne sind bislang ein rein hypothetisches Konstrukt. Theoretisch könnten sie sich im frühen Universum gebildet haben, als Dunkle Materie kondensierte und Teilchenauslöschungen die Materie aufheizten. Das Bild zeigt das Ergebnis einer neuen Simulation. Links bilden sich normale Sterne, wenn keine auslöschende Dunkle Materie präsent ist. Das rechte Bild zeigen, was passiert, wenn Dunkle Sterne den Prozess stören. (CfA)

Der Großteil der Materie in unserem Universum, etwa 85 Prozent, wird als sogenannte „Dunkle Materie“ bezeichnet. Sie besteht nicht aus gewöhnlichen Atomen, sondern aus einer bislang noch unbekannten Art Teilchen. Diese allgegenwärtige und dennoch rätselhafte Substanz zu verstehen, ist ein Hauptziel der modernen Astrophysik. Dunkle Materie wird durch ihren gravitativen Einfluss auf Sterne und andere normale Materie registriert und einige Astronomen spekulieren, dass sie außer der Gravitation möglicherweise noch eine andere Eigenschaft mit gewöhnlicher Materie gemeinsam hat: Sie könnte in zwei Formen auftreten – Materie und Antimaterie -, die sich bei Kontakt gegenseitig auslöschen und hochenergetische Strahlung abgeben.

Mehrere hundert Millionen Jahre nach dem Urknall begannen sich die ersten Sterne zu bilden, als die Gravitation langsam die primordiale Materie kondensierte und sie auf Temperaturen aufheizte, die imstande waren, die Kernfusion auszulösen. Wissenschaftler haben vermutet, dass etwas ganz Ähnliches auch mit Dunkler Materie geschehen sein könnte: Die Gravitation kondensierte sie zu Kernen, die letztendlich zündeten – aber nicht mit Kernfusion. Dunkle Materie ist nicht atomar und hat keine (normalen) Atomkerne. Es könnte durch Annihilationsstrahlung geschehen sein. Diese sogenannten „Dunklen Sterne“ könnten für einige Zeit geschienen haben, während mehr und mehr Dunkle Materie auf sie fiel und die Auslöschung antrieb. Möglicherweise haben sie sogar ihre Umgebungen auf eine Weise aufgeheizt, die das Wachstum der ersten Generation normaler Sterne hemmte.

Der Astronom Avi Loeb vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) und drei seiner Kollegen verwendeten Computersimulationen von Dunkler Materie im frühen Universum, um zu untersuchen, ob und wie Dunkle Materie die Entwicklung normaler Sterne beeinflussen könnte. Die Details sind komplex, zum Teil deswegen, weil die wachsenden Materieklumpen dazu tendieren, zu Clustern auseinanderzufallen, in denen sie sich dann vernichten. Die Forscher testeten ihre Simulationen mit einer Vielzahl von Voraussetzungen und stellten bei einer der komplexeren Versionen fest, dass die sich auslöschende Dunkle Materie deutlich weniger effektiv einen Dunklen Stern bilden (oder normale Sterne stören) konnte, als sie angenommen hatten. Der Grund dafür waren die Störungen aufgrund der Auslöschung.

Sie schlussfolgern, dass Dunkle Sterne vielleicht nie existiert haben und dass die Entstehung normaler Sterne dadurch möglicherweise nicht gehemmt wurde. Sie weisen jedoch darauf hin, dass weitere Forschungen erforderlich sein werden, um diese Schlussfolgerungen zu verfeinern – nicht zuletzt, um die Natur der rätselhaften Dunklen Materie selbst zu bestimmen. Astronomen sind optimistisch, dass einige der ersten Sterne im Universum noch in diesem Jahrzehnt entdeckt werden. Manche geplanten Weltraummissionen wie die japanische WISH-Mission haben dies als ein Hauptziel festgelegt. Die neuen Simulationen stellen eine Grundlage für die Interpretation dieser Nachweise bereit.

Abhandlung: „The Mutual Interaction Between Population III Stars and Self-Annihilating Dark Matter“ von Athena Stacy, Andreas H. Pawlik, Volker Bromm and Abraham Loeb, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 441, 822, 2014

Quelle: http://www.cfa.harvard.edu/news/su201421

(THK)

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