Geistersterne:Die radikale Theorie, die das Rätsel der Dunklen Materie lösen könnte

Schauen Sie nach Sonnenuntergang in den Himmel und die vertraute Decke der Nacht ist mit hellen Sternen durchlöchert. Diese lodernden Hochöfen sind so lebendig, dass wir ihr Licht sehen können, obwohl selbst die nächsten Billiarden Kilometer entfernt sind.

Es ist ein Anblick, den die meisten von uns bei unzähligen Gelegenheiten gesehen haben, also sei Ihnen verziehen, wenn Sie denken, dass sich alle Stars so verhalten müssen. Ist Leuchten nicht genau das, was ein Stern tut?

Doch wenn man einer Reihe neuerer Erkenntnisse Glauben schenken darf, lauert dort draußen eine ganz andere Klasse von Sternen – Sterngeister, die unter einem Schleier der Dunkelheit verborgen sind. Diese transparenten, unsichtbaren Sterne geben keinerlei Licht ab, was bedeutet, dass sie ungesehen in den himmlischen Schatten herumschleichen.

Astronomen vermuten bereits, dass der größte Teil des Universums im Gegensatz zu gewöhnlichen Sternen unsichtbar ist. Wenn sie Galaxien wie unsere eigene Milchstraße betrachten, finden sie Sterne an den äußeren Rändern, die sich viel zu schnell bewegen. So schnell, dass sie eigentlich in den Weltraum fliegen sollten.

Damit sie im Schlepptau gehalten werden können, muss es etwas geben, das sie zügelt. Die beliebteste Erklärung ist, dass es in der Galaxie viel verstecktes Material gibt, das für eine erhebliche Menge zusätzlicher Schwerkraft sorgt. Wissenschaftler nennen dieses Material „dunkle Materie“, und es wird angenommen, dass es die gewöhnliche Materie, aus der Sie und ich bestehen, in einem Verhältnis von mehr als fünf zu eins übersteigt.

In den letzten Jahrzehnten war die Mehrheit der Meinung, dass dieser himmlische Klebstoff aus schwach interagierenden massiven Partikeln (WIMPs) besteht. Dies hatte die Physiker zu einer beispiellos intensiven Jagd geführt, um sie zu fangen. Sie haben Detektoren unter dem Eis in der Antarktis, in verlassenen Goldminen und sogar an Bord der Internationalen Raumstation gebaut.

Bisher sind alle ihre Suchen leer ausgegangen. Es ist daher etwas ironisch, dass einer unserer WIMP-Detektoren möglicherweise gerade Beweise für eine konkurrierende Theorie der Dunklen Materie gefunden hat – eine, die die Tür zur Möglichkeit unsichtbarer Sterne öffnet.

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Dunkle Bosonen

Das XENON1T-Experiment liegt versteckt 3.600 Meter unter dem Berg Gran Sasso in Italien und ist die größte unterirdische Forschungseinrichtung der Welt. Ein riesiger Tank mit über drei Tonnen flüssigem Xenon wurde als WIMP-Falle konzipiert – wenn ein WIMP auf ein Atom im Tank trifft, wird das Atom zurückprallen und Elektronen und Photonen (Lichtteilchen) ausspucken.

Doch im Sommer 2020 gaben die XENON1T-Forscher bekannt, dass sie etwas Unerwartetes gesehen hatten:einen Überschuss an Elektronen, der nicht zu einem Zustrom von WIMPs passte. Laut Dr. Tongyan Lin von der University of California, San Diego, gibt es drei mögliche Erklärungen.

Die ersten beiden Erklärungen sind Partikel von der Sonne oder radioaktive Verunreinigungen im Experiment. Die dritte und bei weitem interessanteste ist die Ankunft einer weiteren vorgeschlagenen Form dunkler Materie:dunkle Bosonen.

Ein Boson ist ein subatomares Teilchen, das eine Kraft trägt. Das Photon zum Beispiel ist ein Boson, das die elektromagnetische Kraft trägt. Ein dunkles Boson, so die Theorie, könnte entweder selbst dunkle Materie sein oder zumindest dafür verantwortlich sein, wie dunkle Materie mit gewöhnlicher Materie interagiert. Wenn das XENON1T-Signal einer weiteren Prüfung standhält – und die anderen eher profanen Erklärungen ausgeschlossen werden können – könnte es das erste Anzeichen dafür sein, dass dunkle Bosonen tatsächlich da draußen sind.

Ein weiterer verlockender Hinweis folgte im September 2020, wenige Monate nach der Ankündigung von XENON1T. Zwei Physikerteams – eines in Europa und das andere in den USA – verwendeten Laser, um Atome in einer Tischfalle einzuschließen. Wie alle Atome enthielten sie Elektronen, die um einen zentralen Kern in Umlaufbahnen schwirrten, die als Energieniveaus bekannt sind.

Dr. Michael Drewsen von der Universität Aarhus in Dänemark ist Teil des europäischen Teams. Er sagt, dass die Anwesenheit eines dunklen Bosons eine Kraft erzeugen würde, die das Atom stört. "Wir würden eine kleine Verschiebung des Energieniveaus des Elektrons sehen", sagt er.

Während sein Team eine solche Verschiebung nicht fand, taten es seine Kollegen in den USA. Wie immer sind Wissenschaftler ein vorsichtiger Haufen und können nicht sofort zu dem Schluss kommen, dass wirklich ein dunkles Boson schuld ist.

„Das könnte daran liegen, dass sie ein schwereres Atom verwendet haben“, sagt Drewsen. Das europäische Team hat Kalzium eingefangen, während das amerikanische Team Ytterbium verwendet hat. Dennoch sind ihre Ergebnisse, gepaart mit denen von XENON1T, ein Schuss in den Arm für diejenigen, die argumentieren, dass dunkle Bosonen real sind. Die Indizienbeweise häufen sich sicherlich.

Astronomen untermauern den Fall noch weiter. Wenn dunkle Bosonen von der Gravitation beeinflusst werden, sollten sie sich ebenso verklumpen wie gewöhnliche Materie. „Sie würden sich selbst zu Bosonensternen anziehen“, sagt Hector Olivares von der Radboud University in den Niederlanden.

Diese Sterne würden sich sehr von denen unterscheiden, die in Konstellationen am Nachthimmel aufgereiht sind. Für den Anfang würden sie kein Licht erzeugen, wenn in ihren Kernen keine Kernfusion stattfindet. Sie wären auch transparent. „Alles, was sich ihnen näherte, ging direkt hindurch“, sagt Olivares.

Das Fehlen jeglicher nicht-gravitativer Wechselwirkung zwischen gewöhnlicher Materie und dunkler Materie bedeutet, dass es wie ein Geist wäre, der durch eine Wand driftet. Schließlich ist der einzige Grund, warum Sie nicht durch einen Stuhl fallen, die abstoßende elektromagnetische Kraft zwischen den Elektronen in Ihrem Gesäß und denen im Sitz.

Laut Olivares könnte ein Bosonenstern möglicherweise so groß werden wie die supermassereichen Schwarzen Löcher (SMBHs), von denen angenommen wird, dass sie sich im Herzen jeder größeren Galaxie befinden. Tatsächlich vermutet er, dass es möglich sein könnte, dass ein riesiger Bosonenstern uns anfangs glauben macht, es sei ein SMBH. „Beide haben keine feste Oberfläche“, sagt er und bezieht sich auf die Tatsache, dass ein Schwarzes Loch eine kosmische Falltür mit einem Punkt ohne Wiederkehr ist, der als Ereignishorizont bekannt ist.

Schwarze Löcher und dunkle Bosonensterne

Olivares führte kürzlich die ersten Simulationen von Materie durch, die auf einen Schwarzloch-ähnlichen Bosonenstern zufällt. „Wir haben entdeckt, dass sie von Schwarzen Löchern unterscheidbar sind“, sagt er. Das liegt daran, dass ihnen ein Schatten fehlt.

Im Jahr 2019 veröffentlichten Astronomen das allererste Bild eines Schwarzen Lochs, einschließlich einer dunklen Region – eines Schattens –, der durch das fehlende Licht gerendert wurde, das das Schwarze Loch verschluckt hat. Während ein Bosonenstern keinen Schatten hat – Material geht direkt hindurch, anstatt verschluckt zu werden – hat er manchmal eine Eigenschaft, die sich gut als solcher ausgibt. Olivares nennt es einen Pseudo-Schatten.

„In den meisten Fällen sehen wir keinen Pseudoschatten, und wenn, dann ist er kleiner als der Schatten eines Schwarzen Lochs“, sagt er. Wir könnten dies bald als Test verwenden, um zu sehen, ob das SMBH im Zentrum der Milchstraße tatsächlich ein riesiger Bosonenstern ist. „Es ist etwas, das mit dem Event Horizon Telescope [dem gleichen Instrument, mit dem das erste Foto eines Schwarzen Lochs aufgenommen wurde] unterschieden werden kann“, sagt Olivares. Diese Arbeit ist derzeit im Gange.

Während wir geduldig auf dieses Ergebnis warten, hat Dr. Juan Calderón Bustillo von der Universität Santiago de Compostela in Spanien möglicherweise bereits zwei Bosonensterne gefunden, die sich als Schwarze Löcher tarnen. Unheilvolle Himmelskollisionen erzeugen Wellen – Gravitationswellen – die durch das Universum rollen und die Erde erreichen.

Sie wurden erstmals 2015 mit dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) in den USA aufgenommen. Die Mehrzahl der Ereignisse, die wir bisher gesehen haben, waren binäre Schwarze Löcher – zwei Gravitationsmonster, die einander umkreisen, bevor sie in Vergessenheit geraten.

Normalerweise gibt es bei einer solchen Kollision drei verschiedene Stadien – die In-Spirale, die Verschmelzung und dann das neue Mega-Schwarze Loch, das dadurch entsteht. Aber laut Bustillo sticht ein bestimmtes Ereignis als seltsam hervor:GW190521. „Wir sehen diese erste In-Spiral-Phase nicht“, sagt er. „Es könnte stattdessen ein Frontalzusammenstoß sein.“

Der Rest der Verschmelzungen von Schwarzen Löchern, die wir bisher gesehen haben, stammt von zwei Schwarzen Löchern, die sich bereits umkreisen. Wenn jedoch zwei zuvor nicht verbundene Schwarze Löcher zusammenprallen, könnte dies das Fehlen einer In-Spiral-Phase vor der Kollision erklären. Also hat Bustillo nachgerechnet, aber diese Erklärung ging nicht auf.

„Das Gravitationswellensignal hält länger an, als man erwarten würde“, sagt er. Das resultierende Schwarze Loch dreht sich auch schneller als es sollte – eine Frontalkollision würde nicht den gleichen Rotationsschub liefern wie ein Paar Schwarze Löcher, die bereits Pirouetten umeinander drehen. „Das Tor ist also offen für andere Erklärungen“, fügt er hinzu.

Bustillo fragte sich, ob stattdessen eine Frontalkollision zwischen zwei Bosonensternen in Frage kommen könnte. Es stellt sich heraus, dass sie es können. Seiner Forschung zufolge gibt es im Vergleich zu kollidierenden Schwarzen Löchern einen zusätzlichen Prozessschritt für kollidierende Bosonensterne. Der große Bosonenstern, der aus den beiden kollidierenden entsteht, oszilliert eine Weile, bevor er zu einem Schwarzen Loch wird.

Diese zusätzliche Oszillationsphase könnte erklären, warum das Signal länger anhielt, als man es von zwei kollidierenden Schwarzen Löchern erwarten würde. Bustillo konnte die Kollisionsdaten auch verwenden, um die Masse der Bosonen zu berechnen, aus denen die Sterne bestehen. „Der Wert liegt um die aktuellen Beschränkungen aus anderen Messungen herum“, sagt er. Mit anderen Worten, es passt zu unseren bestehenden Vorstellungen von Dunkler Materie.

Der wirkliche Clou wird kommen, wenn wir mehr Gravitationswellen von Kollisionen ohne eine anfängliche In-Spiral-Phase sehen. „Ich gehe davon aus, dass die Detektoren mehr solche Signale sehen werden“, sagt Bustillo. Wenn sie auch durch kollidierende Bosonensterne erklärt werden können und jedes unabhängige Ereignis konsistent die gleiche Masse für die dunklen Bosonen ergibt, wird es schwieriger, die Möglichkeit zu ignorieren, dass durchsichtige Sterne da draußen sind.

Zwei bevorstehende Experimente könnten sich bald dem Kampf anschließen und uns helfen, den Fall weiter zu stützen, so Dr. Costantino Pacilio von der Sapienza-Universität Rom. Das erste ist das Einstein-Teleskop, ein vorgeschlagener europäischer bodengestützter Gravitationswellendetektor. Die zweite ist die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), ein Trio von Raumfahrzeugen, die im Abstand von 2,5 Millionen Kilometern in Formation fliegen werden.

„Sie werden beide eine höhere Empfindlichkeit als LIGO haben, was bedeutet, dass wir einen genaueren und detaillierteren Blick auf die Form der Gravitationswellen bekommen werden“, sagt Pacilio. Das ist entscheidend, denn jedes kollidierende Objekt prägt seine Merkmale in die Form der Wellen ein.

Insbesondere die Art und Weise, wie sich die beiden kollidierenden Objekte durch ihre Schwerkraft gegenseitig verformen, liefert eine einzigartige Signatur. „Bosonensterne sind exotische Objekte“, sagt Pacilio. „Sie interagieren nur gravitativ mit dem Universum, also können sie sich nur so zeigen.“

Als wir das Teleskop erfanden, wollten wir einen besseren Blick auf die Dinge bekommen, die wir bereits sehen konnten. Aber jetzt, Jahrhunderte später, wird immer deutlicher, dass das Universum viel mehr zu bieten hat, als man denkt. Vielleicht ist es an der Zeit, unsere Vorstellungen von Sternen auf den Kopf zu stellen und die Tatsache zu akzeptieren, dass es genauso viele unsichtbare Sterne geben könnte, die weitgehend unbemerkt durch das Universum kriechen.

• Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 360 des BBC Science Focus Magazine – Hier erfahren Sie, wie Sie sich anmelden können