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Astrophysik: Die dunkle Vergangenheit der Schwarzen Löcher

Schwarzes Loch
In den Zentren der meisten Galaxien vermuten Astronomen riesige Schwarze Löcher, deren Masse die unserer Sonne um mehr als das Milliardenfache übersteigen kann. Die gigantischen Schwerkraftzentren sind heute also praktisch überall im Weltall anzutreffen und nehmen dabei maßgeblichen Einfluss auf die Entwicklung der Sternsysteme. Doch kurz nach dem Urknall waren sie noch rar, zumindest nahmen Forscher dies lange Zeit an.

Im Jahr 2003 war die Fachwelt jedoch verblüfft, als der Sloan Digital Sky Survey (SDSS) Hinweise auf ein halbes Dutzend supermassereicher Schwarzer Löcher lieferte, die bereits existierten, als das Universum weniger als eine Milliarde Jahre alt war. Nach bisherigen Theorien waren zwar bereits rund 200 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne entstanden, doch um zu Schwarzen Löchern mit einer Milliarde Sonnenmassen zu verschmelzen, wie sie der SDSS entdeckte, wäre erheblich mehr Zeit vergangen.

Zerstrahlt Dunkle Materie mit sich selbst?

Eine mögliche Lösung dieses Rätsels sehen theoretische Physiker um Katherine Freese von der University of Michigan in einer noch rätselhafteren Erscheinung: der Dunklen Materie. Diese unsichtbare Substanz, die dank ihrer Schwerkraft dennoch messbare Folgen hat, stellt mindestens 80 Prozent der Materie des Universums. Noch sind sich Forscher nicht sicher, worum es sich dabei eigentlich handelt. Eine Lösung des Problems wären die noch hypothetischen WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle), also massebehaftete, schwach wechselwirkende Teilchen. Der wichtigste Kandidat für ein solches WIMP ist wiederum das Neutralino, ein ebenfalls hypothetisches Teilchen, das von der Theorie der Supersymmetrie vorhergesagt wird und dessen Existenz möglicherweise der Teilchenbeschleuniger LHC nachweisen könte. Neutralinos sind ihre eigenen Antiteilchen: Treffen also zwei von ihnen zusammen, zerstrahlen sie und erzeugen dabei Gammastrahlung sowie andere Materie- und Antimaterieteilchen.

Der Theorie von Freeses Team zufolge (Dark Stars: a new look at the First Stars in the Universe) zogen schrumpfende, sich abkühlende Gaswolken 80 bis 100 Millionen Jahre nach dem Urknall durch ihre Schwerkraft auch Neutralinos an, die alsbald zerstrahlten und durch die dabei freiwerdende Energie die ersten Sterne entfachten. Diese "Dunklen Sterne", wie sie die Forscher getauft haben, gewannen ihre Energie ausschließlich aus der Dunklen Materie und nicht – wie heutige Sterne – durch Kernfusion.

Riesig im Vergleich zu normalen Sternen

Bereits nach ersten Berechnungen der Physiker dürften Dunkle Sterne im Vergleich zu gewöhnlichen Sternen riesig gewesen sein. Denn anders als diese mussten sie keine extreme Dichte besitzen, um Atomkerne so stark zusammenzupressen, dass es zur Fusion kam. Stattdessen waren sie wohl wolkenähnlich und erreichten bis zu 200 000-fachen Sonnendurchmesser. Zudem konnten sie dank ihrer kühleren Oberfläche auf bis zu 1000 Sonnenmassen anwachsen, während normale Sterne nicht mehr als 150 Sonnenmassen erreichen.

In einer neuen Arbeit korrigieren die Physiker ihre ersten Prognosen sogar noch nach oben (Supermassive Dark Stars: Detectable in JWST). Sie vermuten nun, dass Dunkle Sterne genug Zeit hatten, um bis zu 10 Millionen Sonnenmassen an Materie an sich zu binden, bevor ihnen ihr dunkler Brennstoff ausging. Als die Forscher berechneten, mit welcher Häufigkeit Neutralinos in die Ursterne gerieten und dort von Atomen eingefangen wurden, zeigte sich auch, dass Dunkle Sterne deutlich länger lebten als zuerst vermutet.

Sobald einem solch massereichen Gebilde schließlich doch die Dunkle Materie ausging, stürzte es in sich zusammen, bis durch den steigenden Druck die Kernfusion einsetzte. Danach brannte es rund eine Million Jahre als normaler Stern weiter. Anders als ein gewöhnlicher Stern war dieser jedoch zu groß, um als Supernova zu explodieren, erklärt Freese. Statt dessen kollabierte er direkt zu einem Schwarzen Loch. Mehrere dieser Mittelgewichte hätten dann im Verlauf von einer Milliarde Jahren zu einem Giganten heutiger Größe verschmelzen können.

Wird JWST weit genug zurückblicken?

Ein supermassereicher Dunkler Stern – wenn ein solcher denn je existierte – war bis zu einer Milliarde Mal heller als die Sonne, besaß aber doch die selbe äußere Temperatur und damit Lichtfarbe. Freese und ihr Team hoffen deshalb, dass der Nachfolger des Weltraumteleskops Hubble, das James Webb Space Telescope, ab 2014 weit genug in die Vergangenheit des Alls blicken wird, um die Giganten zu entdecken. Dass wir einen von ihnen auch in der Gegenwart noch antreffen, ist allerdings sehr unwahrscheinlich, denn die durchschnittliche Dichte der Dunklen Materie im Universum liegt inzwischen rund 8000-mal niedriger als damals, als der Kosmos noch wesentlich kompakter war.

Andere Physiker bezweifeln indessen, dass es Dunkle Sterne jemals gab. Nach Ansicht von Brian O'Shea von der Michigan State University liegen Freeses Theorie zu viele Annahmen über die Eigenschaften Dunkler Materie zugrunde. Bestünde diese beispielsweise nicht aus Neutralinos, sondern aus anderen hypothetischen Teilchen wie den Axionen – die sich nicht gegenseitig vernichten –, wären Dunkle Sterne undenkbar.

Zumindest aber sind sie, so Paul R. Shapiro von der University of Texas in Austin, "eine nachvollziehbare Konsequenz aus einem nachvollziehbaren Modell der Dunklen Materie". Und falls sich ihre Existenz nachweisen ließe, so Shapiro, würden sie nicht nur das Rätsel der supermassereichen Schwarzen Löcher aufklären, sondern auch wichtige Hinweise auf die Natur der Dunklen Materie geben. Und das, so gibt dann auch O'Shea zu, wäre wirklich "unglaublich spannend".

Charles Q. Choi ist freier Wissenschaftsjournalist in New York City und regelmäßiger Autor für den Scientific American.

Dieser Beitrag ist im Original im Scientific American erschienen.

Übersetzung: Ralf Strobel

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