Dunkle Sterne: Die ersten Sterne im Universum

Dunkle Sterne könnten für unsere Existenz verantwortlich sein.

Dunkle Sterne könnten für unsere Existenz verantwortlich sein. (Bildnachweis: Tobias Roetsch)

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Ein Stern stirbt. Ein plötzlicher Lichtblitz bedeutet das Ende einer Supernova-Explosion. Dies ist jedoch nur ein Teil des Lebenszyklus von Sternen, da die reichen Materialien, die während des Todeskampfes des Sterns entstanden sind, von der Supernova in den Weltraum geschleudert werden.

Wenn sich die nächste Generation von Sternen bildet, fegen sie die Überreste der Supernova zusammen und akkumulieren die Metalle, die der sterbende Stern produziert hat – Metalle sind die Bezeichnungen, die Astronomen für alles verwenden, was schwerer ist als Wasserstoff und Helium . Metalle sind wichtig; ohne sie könnte die Scheibe aus Gas und Staub, die einen neu entstehenden Stern umgibt, keine Gesteinsplaneten erschaffen. Aber wenn neue Sterne die Metalle recyceln, die beim Tod alter Sterne entstanden sind, was haben dann die allerersten Sterne gemacht?



Das Universum begann mit dem Urknall, der die Gase Wasserstoff und Helium, Spuren von Lithium und vielleicht Beryllium sowie. Materie begann sich zu verklumpen und zog durch die Anziehungskraft immer mehr Material an. Möglicherweise war es dunkle Materie – die mysteriöse Substanz, die noch direkt nachgewiesen werden muss –, die sich zuerst ansammelte. Dies zog dann die gewöhnliche Materie an, die wir sehen können, wie Wasserstoff und Helium. Zusammen schufen die dunkle und gewöhnliche Materie einen sogenannten „Minihalos“, obwohl der Name etwas irreführend ist, da Minihalos eine Masse von etwa einer Million Mal hatten als unsere Sonne.

Woher kamen die ersten Sterne?

Woher kamen die allerersten Sterne?(Bildnachweis: Tobias Roetsch)



In den Mini-Halos wurden 200 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne geboren.

Die ersten Sterne sind als Sterne der Population III bekannt, und keiner wurde jemals beobachtet, da sie zu schwach sind. Die ersten Sterne mussten mit dem auskommen, was ihnen zur Verfügung stand, und bildeten sich aus Wolken, die nur Wasserstoff und Helium enthielten. Als sie bei Supernova-Explosionen starben, produzierten sie die ersten Metalle für die spätere Sternenpopulation, Population II, die einen geringen Anteil an Metallen haben. Daraus entstanden die metallreichen Population I-Stars, die wir heute haben.

Die dunkle Materie im Minihalo hat möglicherweise mehr bewirkt, als Elemente zusammenzubringen – sie könnte auch tief in den ersten Sternen vorhanden gewesen sein. Diese Sterne werden wegen der dunklen Materie in ihnen als „dunkle Sterne“ bezeichnet, obwohl sie eigentlich sehr hell geleuchtet hätten.

Alles, was wir sehen und entdecken können – die Sterne und Galaxien – machen nur winzige 5 % des Universums aus, während dunkle Materie 25 % ausmacht. Der Rest besteht aus dunkler Energie, einer weiteren Kuriosität, von der angenommen wird, dass sie für die Beschleunigung der Expansion des Universums verantwortlich ist. Wie CERN stellt fest, dass dunkle Materie nicht mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt und kein Licht erzeugt. Wir wissen nur, dass es da sein muss, da seine immense Gravitationskraft an der gewöhnlichen Materie zerrt.

Eine der führenden Theorien, die versucht, die unsichtbare Masse im Universum zu erklären, ist ein hypothetisches Teilchen, das als WIMP bekannt ist – ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen. „Schwache“ Interaktion bezieht sich auf ihre Beziehung zur gewöhnlichen Materie. Sie würden jedoch immer noch mit sich selbst interagieren. Tatsächlich würden zwei WIMPs, wenn sie miteinander kollidierten, einander in einem Prozess zerstören, der als Vernichtung bekannt ist. Dies liegt daran, dass Theorien, wie z diese Studie an der University of Maryland sagen voraus, dass WIMPs ihre eigenen „Antiteilchen“ sind.

Dunkle Materie sammelte sich zuerst zu Klumpen und Filamenten, bevor sie gewöhnliche Materie anzog und dann die ersten Sterne bildete

Dunkle Materie sammelte sich zuerst zu Klumpen und Filamenten, bevor sie gewöhnliche Materie anzog und dann die ersten Sterne bildete.(Bildnachweis: Tom Abel & Ralf Kaehler (KIPAC, SLAC), AMNH)

Gewöhnliche Materie hat Antiteilchen, das sind Teilchen mit gleichen Eigenschaften, aber entgegengesetzter Ladung. Atome bestehen aus einem Kern, der von Elektronen umgeben ist. Elektronen haben eine negative Ladung, und wenn sie auf ein Teilchen treffen, das als Positron bekannt ist – mit einer positiven Ladung – vernichten sich Elektron und Positron katastrophal.

Ein Nebeneffekt der Vernichtung ist, dass sie Energie erzeugt. Wenn sich ein Stern in einem Minihalo zu bilden beginnt, enthält das kollabierende Material Wasserstoff, Helium und WIMPs. Zunächst entweicht die von den kollidierenden WIMPs erzeugte Energie in den Weltraum, aber wenn die Dichte des Wasserstoffs hoch genug ist, fängt er die Energie der WIMPs im Inneren des Sterns ein. Obwohl die WIMPs nur einen winzigen Bruchteil der Masse des Sterns ausmachen, sind sie bei der Energieerzeugung so effizient, dass sie einen dunklen Stern Millionen oder sogar Milliarden von Jahren antreiben können.

Es ist immer noch ungewiss, ob alle der ersten Sterne normale Sterne der Population III ohne dunkle Materie, dunkle Sterne waren oder ob beide Arten von Sternen nebeneinander existierten. „Das Standardszenario für die Entstehung der ersten Sterne beruht nicht auf der Vernichtung der Dunklen Materie“, sagt Erik Zackrisson vom Universität Uppsala in Schweden. 'Dunkle Sterne werden einfach als exotische Alternative zur Standard-Formationsroute angesehen.'

Gewöhnliche Sterne werden durch Fusion angetrieben, den Prozess, bei dem Wasserstoff im Kern des Sterns in Helium umgewandelt wird. Die Sterne der Population III wären massiv gewesen und hätten etwa das 100-fache der Masse unserer Sonne auf die Waage gebracht. Sie waren jedoch auch sehr heiß, was die Materialmenge, die sie ansammeln konnten, begrenzte. Dunkle Sterne hingegen waren viel cooler. Dies bedeutete, dass sie wesentlich mehr von dem umgebenden Material ansammeln und theoretisch weiterwachsen konnten, solange genügend dunkle Materie vorhanden war, um sie zu befeuern, da NASA Anmerkungen. Dunkle Sterne könnten eine Masse von bis zu einer Million Mal größer als die der Sonne erreicht haben, mit einer Leuchtkraft, die eine Milliarde Mal heller ist als sie.

NASA-Techniker führen eine Reihe von kryogenen Tests an sechs Beryllium-Spiegelsegmenten des James Webb-Weltraumteleskops durch

NASA-Techniker führen eine Reihe von kryogenen Tests an sechs Beryllium-Spiegelsegmenten des James Webb-Weltraumteleskops durch.(Bildnachweis: NASA)

Wie das Sprichwort sagt, müssen alle guten Dinge ein Ende haben und die WIMPs werden sich irgendwann gegenseitig vernichtet haben. Im Gegensatz zu Sternen der Population III, die ihr Leben als Supernovae beenden, sind dunkle Sterne so massereich, dass sie dazu bestimmt sind, ein Schwarzes Loch zu werden. Die kleineren dunklen Sterne könnten auf dem Weg ins Vergessen einen Umweg machen, indem sie sich kurzzeitig als gewöhnlicher fusionsbetriebener Stern entzünden. Wenn dies geschah, zog sich der Stern zusammen und wurde heißer. Der Wasserstoff wäre im Bauch des Sterns schnell verbraucht worden, und wenn der Fusionsmotor den Stern nicht mehr unterstützen konnte, wäre der unvermeidliche Kollaps in ein Schwarzes Loch eingetreten.

Der massereichste der dunklen Sterne hätte die Fusionsphase komplett umgangen und wäre direkt in ein Schwarzes Loch kollabiert. Diese Schwarzen Löcher waren so massiv, dass sie eine Lösung für ein Problem bieten, das Wissenschaftler bisher verwirrt hatte. Supermassive Schwarze Löcher, die Milliarden von Sonnenmassen haben können, existieren im Zentrum jeder Galaxie und es ist bekannt, dass sie nur eine Milliarde Jahre nach dem Urknall existiert haben. Ein gewöhnlicher Stern, der in ein Schwarzes Loch kollabiert, würde jedoch mehr als ein paar hundert Millionen Jahre brauchen, um genug Material zu verschlingen, um ein supermassereiches Schwarzes Loch zu werden. „Gewöhnliche Sterne können das nicht, denn gewöhnliche Sterne sind zu klein“, erklärt Katherine Freese von der Universität von Texas bei Austin. „Dunkle Sterne hingegen können eine Million Mal so massiv wie die Sonne werden, und wenn ihnen dann der Brennstoff ausgeht, kollabieren sie zu Schwarzen Löchern mit Millionen Sonnenmasse, den perfekten Keimen für monströse supermassive Schwarze Löcher. '

Dunkle Sterne wären unweigerlich zu Schwarzen Löchern zusammengebrochen.

Dunkle Sterne wären unweigerlich zu Schwarzen Löchern zusammengebrochen.(Bildnachweis: ESA)

Die supermassiven WIMP-betriebenen dunklen Sterne konnten sich nur in den Minihalos des frühen Universums gebildet haben, als die Dichte der Dunklen Materie viel höher war als heute. Im Laufe der Zeit, als sich das Universum ausdehnte, breitete sich alles weiter aus, sodass es keine Minihalos mehr gibt, die supermassive dunkle Sterne gebären können.

Dies beschränkt sie auf das frühe Universum, was auch bedeutet, dass sie hier auf der Erde weit von uns entfernt sind. Astronomen verwenden den Begriff ' Rotverschiebung “, um in der Kosmologie die Entfernung zu bezeichnen, da das Licht eines entfernten Objekts in Richtung des roten Endes des Spektrums verschoben wird, vorausgesetzt, es bewegt sich von uns weg. Dunkle Sterne existieren nur bei hohen Rotverschiebungen, was sie zu einer Herausforderung für die Beobachtung macht. Das Infrarot Ultratiefes Feld Bilder von Hubble wurden verwendet, um nach dunklen Sternen zu suchen, aber es wurden keine gefunden. Dies bedeutet nicht unbedingt, dass sie nicht existieren, da außerhalb von Hubbles Sicht weniger leuchtende dunkle Sterne lauern könnten. Das kommende James Webb Space Telescope (JWST) – das im Oktober 2021 starten soll – wird seinen Vorgänger durch einen weiteren Blick in die Vergangenheit übertreffen.

'Wenn dunkle Sterne existieren und ausreichend massereich, zahlreich und langlebig sind, dann hat das JWST sicherlich eine gute Chance, ihre Existenz bei hohen Rotverschiebungen zu bestätigen', sagt Zackrisson. 'Da die Verteilung der Dunkelsterneigenschaften jedoch sowohl von den Eigenschaften der Teilchen der Dunklen Materie als auch von der kosmologischen Entwicklung der Halos der Dunklen Materie abhängt, die sie beherbergen, ist der Erfolg keineswegs garantiert.'

Selbst wenn das JWST einzelne dunkle Sterne nicht erkennen kann, kann es dennoch ihr allgemeines Leuchten erkennen. So wie sich einzelne Straßenlaternen zu einem ärgerlichen gelben Leuchten über den Städten addieren, reichert sich das Licht von Sternen und Galaxien zum sogenannten extragalaktischen Hintergrundlicht (EBL) an. Das EBL ist bereits zu einem gewissen Grad kartiert, aber die verbesserten Messungen des JWST werden helfen, die Beiträge von dunklen Sternen zu erschnüffeln, was zuvor nicht zu bewältigen war.

Das Hubble Ultra Deep Field wurde verwendet, um im frühen Universum nach dunklen Sternen zu suchen.

Das Hubble Ultra Deep Field wurde verwendet, um im frühen Universum nach dunklen Sternen zu suchen.(Bildnachweis: NASA / ESA & Hubble)

Während die WIMP-Vernichtung theoretisch genug Treibstoff liefern kann, um einen dunklen Stern für Milliarden von Jahren am Laufen zu halten, ist es unwahrscheinlich, dass einer der dunklen Sterne aus dem frühen Universum heute noch existiert. Es ist jedoch möglich, dass eine neue Generation dunkler Sterne dort existiert, wo die Konzentrationen dunkler Materie noch etwas hoch sind, wie zum Beispiel im Zentrum von Galaxien. Da es in galaktischen Zentren im Vergleich zu den Minihalos des alten Universums weniger Dunkle Materie gibt, wäre die neue Generation dunkler Sterne viel weniger massereich – nur äquivalent zu der unserer Sonne – und wird niemals in der Lage sein, mit den glorreichen Tagen der erste Sterne.

Dunkle Sterne mit Sonnenmasse in der Nähe des galaktischen Zentrums hätten sich nicht durch das Einfangen von WIMPs in ihnen gebildet, sondern durch das Einfangen eines Teils der dunklen Materie, die sich im Zentrum der Galaxie befindet. Wenn dies geschieht, ersetzt die Erwärmung der Dunklen Materie die normale Fusion, und die Sterne kühlen ab und dehnen sich aus. Dies würde sie nicht nur jünger erscheinen lassen, als sie tatsächlich sind, sondern es könnte auch ihre Lebensdauer exponentiell verlängern. Wenn es genug dunkle Materie gäbe, um sie kontinuierlich anzusammeln, könnten die dunklen Sterne auf unbestimmte Zeit existieren. Ewige dunkle Sterne könnten das Leben einiger Sterne im Universum beeinträchtigen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass „tote“ Sterne wie Neutronensterne oder Weiße Zwerge im galaktischen Zentrum genügend WIMPs sammeln könnten, um eine Erwärmung der Dunklen Materie auszulösen, wie in a lernen an der Queens University in Kingston, Ontario. Diese Sterne würden sonst mit der Zeit schwächer werden, aber mit einer neuen Wärmequelle würden sie ein neues Leben bekommen und seltsam jünger und heißer erscheinen als erwartet.

Das Verständnis der frühen Jahre unseres wundersamen Universums und der Entstehung der ersten Sterne ist entscheidend, um zu verstehen, was wir heute um uns herum sehen, sowie um die komplexeren Objekte und Phänomene im Sonnensystem zu verstehen. Es ist eine düstere Zeit, die schwer zu beobachten ist, aber mit der nächsten Generation von Teleskopen wie dem JWST könnte es endlich möglich sein, sowohl die supermassiven dunklen Sterne des frühen Universums als auch ihre weniger beeindruckenden Verwandten im galaktischen Zentrum zu entdecken.

Die Entdeckung, ob es Sterne der Population III, dunkle Sterne oder beides waren, die die ersten Sterne im Universum waren, wird einen tiefgreifenden Einfluss auf die Kosmologie haben. Es wird nicht lange dauern, bis wir etwas Licht in diese dunklen Mitglieder des Kosmos bringen können.