Wurden mit dem James-Webb-Weltraumteleskop (James Webb Space Telescope, JWST) tatsächlich erstmals Dunkle Sterne aufgenommen? Und wie kann das funktionieren, wenn sie doch dunkel sind? Tatsächlich leuchteten die gesichteten Objekte schon 400 Millionen Jahre nach dem Urknall. Ihr Licht wäre also mehr als 13 Milliarden Jahre zu uns unterwegs gewesen. Damit das Teleskop sie abbilden konnte, müssen sie milliardenfach heller als die Sonne geleuchtet haben. Über den möglichen Fund berichten Katherine Freese von der University of Texas in Austin sowie Cosmin Ilie und Jillian Paulin von der Colgate University in New York in der Fachzeitschrift »Proceedings of the National Academy of Sciences«. »Einen neuen Typus von Stern zu entdecken ist an sich schon ziemlich interessant«, sagt Freese dazu. »Zu entdecken, dass er von der Dunklen Materie angetrieben wird – das wäre gewaltig!« Das Attribut »dunkel« bezieht sich also nicht auf die Strahlkraft der Objekte, sondern auf ihre außergewöhnliche Energiequelle.

Normale Sterne wie die Sonne gewinnen ihre Energie, indem in ihrem Inneren leichte Atomkerne zu schwereren verschmelzen. In Dunklen Sternen zerstrahlen Teilchen der Dunklen Materie – eine Materieform, die heute, so die gängige Lehrmeinung, vier Fünftel der Materie des Universums ausmacht und aus einer fundamental anderen Art von Elementarteilchen bestehen soll.

Dunkle Sterne, ein radikales Konzept

Eine Form von hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchen werden im Englischen oft als WIMP (englisch: weakly interacting massive particle) bezeichnet; es ist ein Platzhalter-Begriff, denn beobachtet hat ein solches Teilchen noch niemand. WIMPs könnten, so eine weitere Hypothese, ihre eigenen Antiteilchen sein: Damit würden sich zwei WIMPs gegenseitig vernichten können. Ihre Energie wandelt sich dabei in elektromagnetische Strahlung oder Paare aus Elektronen und Positronen um.

Genau darauf beruht das Konzept der Dunklen Sterne, das Freese – damals noch an der University of Michigan – zusammen mit ihren Kollegen Paolo Gondolo und Douglas Spolyar bereits im Jahr 2007 entwickelt hat. Die drei stellten sich dabei die folgende Frage: Wie beeinflusste die Dunkle Materie, wenn sie doch im Universum allgegenwärtig ist, die ersten Sterne nach dem Urknall? Gemeinhin wird davon ausgegangen, dass dieser Einfluss allein über die Gravitation wirkt. Nach dem Urknall sollte sich demnach zuerst Dunkle Materie in Halos, riesigen Ansammlungen aus unsichtbarem Material, angehäuft haben. Diese Halos ziehen anschließend Wasserstoffgas an. Das Gas verdichtet sich und wird so heiß, dass die Kernfusion beginnt: Die ersten Sterne sind geboren und mit ihnen die ersten Galaxien.

Freese, Gondolo und Spolyar stellten dem eine andere Hypothese entgegen. Ihr zufolge verdichtet sich die Dunkle Materie immer weiter, bis es zu so vielen WIMP-WIMP-Vernichtungsreaktionen kommt, dass die dabei entstehende Energie den weiteren Kollaps der Wolke aufhält. Die riesige, aber im Vergleich zu normalen Sternen dünne Wolke leuchtet dann allein auf Grund der Vernichtung der Dunklen Materie in ihrem Inneren.

Während normale Sterne selten mehr als ein paar Dutzend Sonnenmassen schwer werden, könnten ein solcher Dunkler Stern bis zu eine Million Mal massereicher und bis zu zehn Milliarden Mal leuchtkräftiger werden als unsere Sonne. Ein einzelner davon wäre so hell wie eine ganze Galaxie! Damit sollten die Dunklen Sterne mit dem neuen James-Webb-Teleskop (JWST) am Rand des sichtbaren Kosmos beobachtbar sein.

Mit James Webb an den Anfang des Kosmos

Tatsächlich lassen sich auf Bildern, die das JWST im Jahr 2022 im Lauf seines JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES) geliefert hat, zahlreiche schwache Objekte nachweisen. Sie werden bislang alle als extrem ferne Galaxien identifiziert. JWST konzentriert sich auf das langwelligere Infrarot, denn das Licht dieser Objekte ist durch die Expansion des Universums zu größeren Wellenlängen verschoben. Die Galaxien aus dem frühen Kosmos erscheinen uns daher im Infraroten.

Bei vier dieser Objekte gelang es, aussagekräftige Spektren zu gewinnen. Daraus ließen sich ihre Rotverschiebungen messen; sie liegen zwischen Werten von 10,2 und 13,2. Das bedeutet, dass ihr Licht aus einer Zeit zwischen 480 und 320 Millionen Jahren nach dem Urknall stammt. Es handelt sich damit um einige der am weitesten entfernten und frühesten Objekte des Universums, die bislang beobachtet werden konnten.

Die Kandidaten

Drei der vier Objekte, genannt JADES-GS-z11-0, JADES-GS-z12-0 und JADES-GS-z13-0, halten Freese und ihre Kollegen für Exoten: »Wenn wir uns die James-Webb-Daten ansehen, ergeben sich zwei konkurrierende Möglichkeiten für diese Objekte. Entweder sie sind Galaxien mit Millionen gewöhnlicher Sterne. Die andere Möglichkeit: Es sind Dunkle Sterne.«

Bislang können die Astronomen nur Indizien für die Dunkle-Sterne-Hypothese anführen. Da ist zum einen die Tatsache, dass die Objekte auf den Bildern von Webbs Kamera NIRCam punktförmig aussehen. Selbst die größten Dunklen Sterne würden der Theorie zufolge in das Sonnensystem passen. Galaxien hingegen sind viel größer und müssten als flächige Objekte erscheinen. Allerdings ist das Auflösungsvermögen des James-Webb-Teleskops begrenzt. Frühe Galaxien könnten zudem kleiner gewesen sein als ihre heutigen Gegenstücke.

Das zweite Indiz: Die spektrale Energieverteilung der drei Objekte passt gut zu den Vorhersagen ihres Modells für Dunkle Sterne. Dazu müssen die Modelle aber mit bestimmten Parametern, unter anderen der Masse des – noch unbekannten und hypothetischen – Dunkle-Materie-WIMP, »eingestellt« werden.

Hilfe von Einstein?

Einen Beweis, dass die drei JADES-Kandidaten von Dunkler Materie befeuerte Riesensterne sind, liefert beides nicht. Das könnten hingegen aussagekräftigere Spektren, schreiben Freese und ihre Kollegen: Fände man zum Beispiel eine Heliumabsorptionslinie bei der Wellenlänge von 164 milliardstel Meter (1640 Angström) oder bestimmte Absorptionslinien von Wasserstoff oberhalb von 350 millionstel Meter Ruhewellenlänge, wäre das ein eindeutiger Hinweis auf einen Dunkler Stern. Das Argument: Die Dunkle Materie macht nur 0,1 Prozent der Gesamtmasse der Wolke aus. Der Rest ist eine diffuse Atmosphäre aus Wasserstoff und Helium, in der die WIMP-Vernichtungsstrahlung bei diesen Wellenlängen sehr effizient absorbiert wird. Handelt es sich dagegen um Galaxien aus normalen Sternen, sollten stattdessen Emissionslinien im Spektrum auftauchen.

Leider sind die Spektren der drei Kandidaten nicht genau genug für solche Details. »JWST kann ausgezeichnete Spektren machen«, erklärt Freese. »Um diese auch für Dunkle Sterne liefern zu können, müssen diese Objekte allerdings 10- bis 100-mal heller sein.« Das könnte durch Gravitationslinsen erreicht werden – also dadurch, dass eine große Masse, etwa ein Galaxienhaufen im Vordergrund, auf der Sichtlinie die Strahlung des Dunklen Sterns verstärkt. Die von der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagten Gravitationslinsen werden inzwischen routinemäßig beobachtet und waren schon oft nützliche Verstärker schwacher Quellen. »Das wird definitiv auch bei vielen von JWST beobachteten Objekten der Fall sein.«

Viele Probleme, eine Lösung?

Könnte demnach schon bald ein Dunkler Sterne zweifelsfrei nachgewiesen werden? Manch ein Astrophysiker wird es sich wünschen – könnte die Existenz dieser exotischen Objekte doch eine Reihe von Problemen lösen: Erstens wären sie ein überzeugender, wenn auch indirekter Hinweis auf »Majorana-WIMPs«, Teilchen, die gleichzeitig ihre eigenen Antiteilchen sind. Zweitens bringt die Vielzahl der vom JWST im Jahr 2022 entdeckten – vermeintlichen – jungen Galaxien Astrophysiker zunehmend in Erklärungsnot. Es scheint schlicht zu viele von ihnen im frühen Universum zu geben: »Wenn einige dieser Objekte gar keine jungen Galaxien sind, sondern Dunkle Sterne, dann passen die Simulationen der Galaxienentstehung viel besser zu den Beobachtungen«, meint Freese.

Und schließlich böten Dunkle Sterne eine elegante Lösung für das Problem der massereichen Schwarzen Löcher, die sich in nahezu jeder großen Galaxie befinden. Wie konnten sich diese bilden? Das Universum existiert schlicht nicht lange genug, damit Schwarze Löcher mit wenigen Sonnenmassen zu Massenmonstern von Millionen oder Milliarden Sonnenmassen wachsen konnten.

Dunkle Sterne würden auch dieses Problem lösen: Geht einem solchen Objekt die Dunkle Materie aus, dann verdichtet sich das Wasserstoffgas, bis es zur Kernfusion kommt. Doch dieser Superstern wäre nun unter Umständen Millionen Sonnenmassen schwer – viel zu viel, um stabil zu bleiben. Stattdessen kollabiert das Gebilde zu einem sehr massereichen Schwarzen Loch. All das macht Dunkle Sterne attraktiv. Noch sind sie nicht viel mehr als ein exotisches Gedankenexperiment – aber vielleicht nicht mehr lange.