Dunkle Materie und die ersten Sterne

Numerische Simulationen zeigen, dass die physikalischen Eigenschaften der Dunklen Materie einen entscheidenden Einfluss auf die Entstehung der ersten Sterne im Kosmos haben.

Rund 85 Prozent der Materie im Universum ist dunkel – sie sendet keine elektromagnetische Strahlung aus und verrät sich ausschließlich durch ihre Gravitation. Numerische Simulationen britischer Forscher zeigen jetzt, dass die physikalischen Eigenschaften dieser Dunklen Materie einen entscheidenden Einfluss auf die Entstehung der ersten Sterne im Kosmos haben. Die Beobachtung der ältesten Sterne könnte den Kosmologen also Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Materie liefern. Die Wissenschaftler berichten im Fachblatt "Science" über ihre Simulationen und die sich daraus ergebenden Folgerungen.

„Wenn die Dunkle Materie warm ist, könnte es in unserer Galaxie noch einige Sterne aus der allerersten Generation geben“, erläutert Tom Theuns von der Durham University. Theuns und sein Kollege Liang Gao haben mithilfe aufwändiger Computersimulationen untersucht, wie sich im jungen Universum die ersten Materieverdichtungen gebildet und wie daraus rund 100 Millionen Jahre nach dem Urknall die ersten Sterne entstanden sind.

Die Dynamik von Galaxien und Galaxienhaufen zeigt zwar, dass die Dunkle Materie der dominierende Bestandteil des Universums ist. Doch woraus diese mysteriöse Substanz besteht, ist bislang unklar. Viele Forscher favorisieren „kalte“ Dunkle Materie aus massereichen Elementarteilchen. Ein möglicher Kandidat wäre das Neutralino, das in vielen Supersymmetrie-Theorien auftritt. Bei einer Masse von etwa hundert Protonenmassen würden sich Neutralinos relativ langsam bewegen, währen also „kalt“.

Abb.: Wenn die Dunkle Materie warm ist konzentriert sich das Gas in filamentartigen Strukturen, in denen dann explosionsartig die ersten Sterne entstehen. (Quelle: Science)

In kalter dunkler Materie bilden sich früh lokale Verdichtungen, so genannte Minihalos, in die dann das primordiale Gas einfällt und sich verdichtet. Numerische Simulationen zeigen, dass bei diesem Prozess Sterne entstehen, die etwa die hundertfache Masse der Sonne besitzen. Solche extrem massereichen Sterne sind jedoch kurzlebig – schon nach wenigen Millionen Jahren explodieren sie und reichern so das umgebende Weltall mit schweren Elementen an.

Wie die Simulationen von Theuns und Gao zeigen, verläuft die Entstehung der ersten Sterne im Kosmos jedoch völlig anders, wenn die Dunkle Materie nicht kalt, sondern warm ist. Solche warme dunkle Materie aus Elementarteilchen mit einer Masse im keV-Bereich ist zwar unter den Kosmologen derzeit weniger populär, aber durchaus mit den Beobachtungen verträglich. Durch die höhere Geschwindigkeit der Teilchen werden lokale Verdichtungen in der Materieverteilung schnell ausgeschmiert. Es entstehen also keine Minihalos, in denen das Gas zu Sternen kollabieren kann.

Stattdessen zeigen die Simulationen die Ausbildung von lang gestreckten, filamentartigen Strukturen aus verdichtetem Gas, in denen dann durch Fragmentation die ersten Sterne entstehen. „Diese Filamente wären etwa 9000 Lichtjahre lang und es würde in ihnen geradezu explosionsartig zur Entstehung vieler Sterne kommen“, so Gao. Entscheidend ist, dass bei diesem Prozess ein breites Spektrum von Sternen unterschiedlicher Masse entstehen kann – darunter auch Sternen mit sehr niedrigen Massen. Je geringer aber die Masse, desto langlebiger ist ein Stern. Wenn die Dunkle Materie warm ist, könnten also einige Sterne der ersten Generation noch heute in der Umgebung der Milchstraße existieren.

Rainer Kayser

Weitere Infos:

• Originalarbeiten:
  Liang Gao und Tom Theuns, Lighting the Universe with Filaments, Science 317, 1527 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1146676
• Durham University:
  http://www.dur.ac.uk

Weitere Literatur:

• B. Moore et al., Dark Matter Substructure within Galactic Halos, Astrophysical Journal 524, L19 (1999).
• T. Abel et al., The Formation of the First Star in the Universe, Science 295, 93 (2002).
• L. Gao et al., The first generation of stars in the Λ cold dark matter cosmology, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 378, 449 (2007).