Erste Sterne – Dunkle Sterne?

2. April 2010 von Andreas Müller in Allgemein

Eine verwegene Idee: Wurden die ersten Sterne gar nicht durch Verschmelzung von Atomkernen in ihrem Innern zum Leuchten gebracht, sondern durch Dunkle Materie? Diese exotische Variante der Sternentwicklung soll Thema dieses Blog-Artikels sein.

Das konventionelle Bild
Sterne gewinnen ihr Licht aus der thermonuklearen Fusion, manchmal auch etwas flapsig und eigentlich nicht ganz korrekt als "Sternenbrennen" bezeichnet. Die Atomkerne leichter bis mittelschwerer chemischer Elemente verschmelzen miteinander, wobei Energie frei wird. Das funktioniert mit Elementen wie Wasserstoff, Helium, Kohlenstoff, Sauerstoff, Silizium und endet bei Eisen, denn bei der Eisenfusion wird keine Energie mehr frei. Je massereicher ein Stern ist, um so näher kann er an die Herstellung von Eisen herankommen – die schwersten Sterne bilden dann Eisenkerne aus und explodieren als Supernova.

Dunkle Materie als Hitzequelle
Physiker rätseln schon seit längerem, ob es in der Natur eine weitere Art von Teilchen geben könnte. Sie nennen sie WIMPs, weakly interacting massive particles, und sie meinen damit schwere Teilchen, die nur schwach wechselwirken. Typische WIMP-Massen liegen zwischen 100 und 10.000 GeV – ein Proton hat dagegen nur 1 GeV Masse. WIMPs sind so etwas wie die übergewichtigen Brüder der Neutrinos. Auch Neutrinos wechselwirken schwach, was dazu führt, dass unser Daumennagel jede Sekunde von 60 Milliarden Neutrinos, die allein aus der Sonne kommen, durchlöchert wird, ohne dass wir etwas dabei spüren oder irgendetwas mit dem Daumennagel passiert.
Die Grundidee ist nun, dass die schweren WIMPs von der Gravitation der Sterne aufgesammelt werden und sich so im Sternkern anhäufen. Außerdem sollen die WIMPs ihre eigenen Antiteilchen sein. Sowas nennt man Majorana-Teilchen (nicht zu verwechseln mit Marihuana-Teilchen, die kennt Canna bis her). Die Konsequenz: Stoßen zwei WIMPs zusammen, dann zerstrahlen sie zu energiereicher Gammastrahlung, die gerade die Energie der beiden Ruhemassen der Teilchen hat. Somit heizen diese zerstrahlenden WIMPs den Sternkern und übernehmen anstelle der Kernfusion die Speisung der Hitzequelle. Diese Ressource kann lange halten: Millionen bis Milliarden Jahre.
Wichtig: Das "dunkel" bei den Dunklen Sternen bezieht sich nicht auf ein dunkles Aussehen – das ist bei weitem nicht der Fall - sondern auf die Dunkle Materie als Ressource, um Strahlung freizusetzen. Bitte die Dunklen Sternen auch nicht mit mit den Schwarzen Sternen verwechseln. (Bild: Künstlerische Darstellung erster Sterne; WMAP/NASA)

Vom Wachstum Dunkler Sterne
Der Weltraum – wir befinden uns in einer fernen Vergangenheit - oder so. Die ersten Sterne sollen schon 200 Millionen Jahre nach dem Urknall existiert haben – das deckt sich auch mit aktuellen Beobachtungen, z.B. ferner Sternexplosionen wie dem GRB 090423. Ausgedrückt in kosmologischen Rotverschiebungen z entspricht das einer Ära von z = 10-50.
Die ersten Sterne mussten nehmen, was sie kriegen konnten, und in dieser frühen Phase gab es nur 75% Wasserstoff und 25% Helium. Schwere Elemente gab es noch nicht, weil diese ja erst durch Kernfusion in Sternen bzw. Sternexplosionen entstehen.
Die Frage ist noch, ob die ersten Sterne angetrieben wurden durch Kernfusion oder durch Dunkle Materie. Wir betrachten hier die exotische, zweite Variante. Gemäß dem favorisierten Modell, waren die ersten Dunklen Sterne mit nur ungefähr einer Sonnenmasse noch massearm  und bestanden zu nur etwa 0,1% aus Dunkler Materie. Ihre Oberflächentemperatur liegt unterhalb von 10.000 Kelvin und ist damit vergleichbar mit unserer Sonne (6000 Kelvin); allerdings waren sie mit 10 Astronomischen Einheiten Durchmesser deutlich größer als die Sonne (1,4 Millionen Kilometer Durchmesser) und mit einer Million Sonnenleuchtkräften auch viel leuchtkräftiger. Säße ein derartiger Dunkler Stern im Sonnensystem, würde er bis gut über die Saturnbahn reichen!

Supermassereiche Dunkle Sterne
Die anfangs noch leichten Dunklen Sterne können durch Verschlingen von Materie aus der Umgebung zu supermassereichen Dunklen Sternen (engl. supermassive dark stars) anwachsen, die enorme 100.000 bis 10 Millionen Sonnenmassen haben! (Zum Vergleich: Die beobachteten, massereichsten Einzelsterne in der Milchstraße haben sowas wie 200 Sonnenmassen.) Über die Existenz derartiger Riesensterne wurde schon von den Pionieren der theoretischen Stellarphysik spekuliert (Hoyle & Fowler 1963). Sie hätten verhältnismäßig geringe Oberflächentemperaturen von 50.000 Kelvin und gigantische Leuchtkräfte zwischen einer Milliarde und 100 Milliarden Sonnenleuchtkräften.  Diese Leuchtkräfte sind vergleichbar mit ganzen Galaxien!

Das geht nicht lange gut
Solange genügend Treibstoff in Form von Dunkler Materie im Stern vorhanden ist, wird die Hitzequelle befeuert. Bleibt der Nachschub an Dunkler Materie aus, so versiegt die Hitzequelle. Der Dunkle Stern wandelt sich dann in einen schweren Hauptreihenstern um, der seine Hitzequelle klassisch mit Fusion speist. Die schweren Hauptreihensterne wiederum kollabieren zu Schwarzen Löchern, die das "Saatgut" der lokal beobachteten supermassereichen Schwarzen Löcher mit Millionen bis Milliarden Sonnenmassen sein könnten. Mit klassischen ersten Sternen, die mit Fusion laufen, wäre das nicht so plausibel zu erklären. Das macht das Modell mit Dunklen Sternen so attraktiv.
Bislang wurden Dunkle Sterne nicht beobachtet, aber die Chancen stehen gut, dass Teleskope der nächsten Generation das leisten könnten.

Quelle: Freese et al. 2010, arXiv preprint 1002.223


11 Kommentare zu “Erste Sterne – Dunkle Sterne?”

  1. Jan Hattenbach Antworten | Permalink

    Dark Stars

    Über das Thema bin ich vor einiger Zeit auch gestolpert, nachdem in Sky&Telescope ein Artikel über die Arbeiten von Freese et al. zu lesen war. Das neue Paper kannte ich noch nicht. Danke für den Blog!

  2. Chrys Antworten | Permalink

    Verständnisfrage

    Vielen Dank für diesen Beitrag. Eine Frage zum besseren Verständnis hätte ich gerade noch. Die Riesensterne nach Hoyle & Fowler, wäre deren Oberflächentemperatur von 50,000K nicht gerade als [i]verhältnismässig hoch[/i] zu bezeichnen? Verglichen wird doch mit den angenommenen < 10,000K der Dunklen Sterne, oder beziehe ich das irgendwie falsch?

  3. Chrys Antworten | Permalink

    Noch 'ne Frage

    Sorry, ich hatte versucht da ein Textattribut zu setzen. Das ist misslungen -- wie geht das hier? HTML tags normal mit spitzen Klammern?

  4. Timm Antworten | Permalink

    Majorana-WIMPs

    Die Idee ist ja sehr interessant, dazu folgende Frage:

    Sollten Majorana-WIMPs nicht nach ihrer Entstehung kurz nach dem Urknall bereits wieder annihilierten?

  5. Andreas Antworten | Permalink

    @Timm

    WIMPs durchdringen mühelos Materie wie die Neutrinos. Es ist eine Frage des Milieus (Dichte etc.), ob die Majorana-WIMPs sich gegenseitig auslöschen oder nicht. In der Regel werden sie schnell voneinander getrennt werden, so dass die Annihilation unterbleibt.

  6. Timm Antworten | Permalink

    @ Andreas

    Sollte man angesichts der gewaltigen Menge Dunkler Materie nicht auch außerhalb der Sterne Kollisionen und entsprechend der zwischen 100 und 10000 GeV angenommenen WIMP Massen einen äußerst hochenergetischen Gamma-Blitz Hintergrund abschätzen können?
    Man hat ja schon zahlreiche Gamma-Blitze untersucht, meines Wissens aber nicht im Zusammenhang mit Majorana-WIMPs, oder?

  7. Andreas Antworten | Permalink

    @Timm

    Ja, das wäre denkbar. Mir ist keine Arbeit bekannt, was nichts heißen muss. Angesichts der Menge an Publikationen, kann man da auch leicht etwas übersehen.

    Dazu ein paar Gedanken:
    -Dunkle Materie besteht ja nicht notwendigerweise aus Majorana-WIMPs. Ist also ein Spezialfall, den evt. tatsächlich noch keiner so genau in Zusammenhang mit Gammablitzen untersucht hat.
    -Es müsste sich eine ausreichende Materiemenge an Majorana-WIMPs anhäufen, damit ein noch über Mrd. von Lichtjahren beobachtbarer Gammablitz entsteht.
    -Eine nicht nachgewiesene Beobachtung solch hochenergetischer Annihilationsgammastrahlung in Beobachtungen mit EINSTEIN, CGRO, FERMI oder PAMELA spricht eher gegen diese These.

  8. Timm Antworten | Permalink

    @ Andreas

    In "The MAGIC Telescopes" finden sich Angaben, wonach sich das beobachtbare Gammaquanten Spektrum bis 100 Tev erstreckt. Das dürfte reichen.
    Ich habe allerdings bei einer nicht erschöpfenden Suche nur einen Hinweis entdeckt, daß nach potentiellen Majorana-WIMP Annihilationen Ausschau gehalten wird.
    Vielen Dank für die Kommentare.

  9. Timm Antworten | Permalink

    @ Andreas

    Info: Die beiden links in der letzten Post wurden nicht übertragen. Ev. war es falsch sie zwischen zu setzen.

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