Wissenschaft sucht nach „Sternen“ aus dunkler Materie, die schwarze Löcher imitieren
Hypothetische Sterne aus dunkler Materie, die auch „Bosonensterne“ genannt werden, könnten verräterische Kräuselungen im Kosmos hinterlassen und Forschenden eine neue Möglichkeit bieten, die unsichtbaren Kräfte zu untersuchen, die das Universum prägen.
Hypothetische Sterne aus dunkler Materie, die auch „Bosonensterne“ genannt werden, könnten verräterische Kräuselungen im Kosmos hinterlassen und Forschenden eine neue Möglichkeit bieten, die unsichtbaren Kräfte zu untersuchen, die das Universum prägen.
Im Jahr 2019 wurde in den Tiefen des Weltraums ein ungewöhnliches Ereignis beobachtet. Bei diesem Ereignis, das die Bezeichnung GW190521 erhielt, wurden Gravitationswellen – unsichtbare Kräuselungen im Universum – erzeugt, die auf der Erde gemessen werden konnten. Diese Wellen lassen auf den Moment schließen, als zwei gigantische schwarze Löcher, deren Masse das Dutzendfache unserer Sonne betrug, kollidierten und verschmolzen. Das war zumindest die ursprüngliche Theorie.
Oder gab es vielleicht eine andere Erklärung? Carlos Herdeiro, Physiker an der Universität Aveiro in Portugal, leitet die von der EU geförderte Forschungsinitiative NewFunFiCO, in deren Rahmen andere mögliche Erklärungen untersucht werden. Das Team um NewFunFiCO vereint Physiker:innen und Astrophysiker:innen aus Spanien, Portugal, Italien, Deutschland, Mexiko, Brasilien und China. Sie möchten herausfinden, ob manche der Gravitationswellensignale von fremdartigen Objekten im Weltraum stammen könnten, von deren Existenz zwar theoretisch ausgegangen wird, die aber noch nie direkt beobachtet worden sind.
„Die Geheimnisse in den Grenzbereichen des Universums sind faszinierend“, sagte Herdeiro. „Und Gravitationswellen bieten uns dabei eine neue Möglichkeit, diesen Geheimnissen auf den Grund zu gehen.“
Dem Brummen der Raumzeit lauschen
Das Team verwendet reale Daten aus dem LIGO-Virgo-KAGRA-Netz – einem globalen System hochempfindlicher Detektoren in den USA, Italien und Japan, mit denen selbst kleinste Verzerrungen der Raumzeit gemessen werden können. Nach Einsteins Theorie bilden Raum und Zeit ein zusammenhängendes Gefüge, das unsere Wahrnehmung davon prägt, wo und wann alles um uns herum geschieht.
Seit der erstmaligen Entdeckung von Gravitationswellen im Jahr 2015 haben Wissenschaftler:innen mehr als 150 Paare verschmelzender schwarzer Löcher identifiziert. Ihrer Theorie zufolge könnte es allerdings noch fremdartigere Objekte geben, die sich nicht unmittelbar aus den verfügbaren Daten erschließen. Im Rahmen der jüngsten Beobachtungsreihe mit dem Namen O4, die von Mai 2023 bis November 2025 durchgeführt wurde, wurden ungefähr 250 potenzielle Ereignisse ermittelt, deren Analyse noch nicht abgeschlossen ist.
„Wir werten die Daten weiterhin sorgfältig aus“, sagte Nico Sanchis-Gual von der Universität Valencia, Ko-Leiter des Projekts. „Es könnte Signale geben, die nicht ganz dem entsprechen, was wir von schwarzen Löchern erwarten.“
Die Bosonensterntheorie
Zu den faszinierendsten Kandidaten, die derzeit untersucht werden, gehören Bosonensterne. Dabei handelt es sich um hypothetische ultrakompakte Objekte, die man aus der Ferne für schwarze Löcher halten könnte. Sie haben aber keinen Ereignishorizont – die Grenze eines schwarzen Lochs, ab der nichts, nicht einmal Licht, entkommen kann. Von außen würden sie etwas unscharf erscheinen, aber im Inneren wären sie mit Teilchen aus dunkler Materie gefüllt.
Bosonensterne könnten aus ultraleichter dunkler Materie bestehen, etwa aus unsichtbaren subatomaren Teilchen, sogenannten Axionen, die Billionen über Billionen Mal leichter wären als ein Elektron. Die Möglichkeit, dass es ein Objekt in der Größe eines Planeten geben könnte, dessen Masse der der Sonne ähnelt, im Inneren aber völlig anders beschaffen ist, fasziniert die Forschung. „Das ist eine atemberaubende Vorstellung“, so Sanchis-Gual.
Wenn sie tatsächlich existieren, könnten sie gelegentlich kollidieren und verschmelzen, wie das auch bei sterngroßen schwarzen Löchern der Fall ist, wodurch messbare Gravitationswellen entstehen. Hier kommt das NewFunFiCO-Team ins Spiel, das in den LIGO-Daten nach genau dem Signal sucht, das wir von einem solchen Ereignis erwarten würden.
GW190521 könnte ein Beispiel für ein solches Ereignis sein. „Wenn zwei von ihnen kollidieren, würden sie ein Gravitationswellensignal erzeugen, das diesem speziellen Signal etwas besser entspricht als das von zwei schwarzen Löchern“, erklärte Herdeiro.
Hinweise auf dunkle Materie
Die Forschenden suchen nicht nur nach Bosonensternen, sondern beispielsweise auch nach gemischten Sternen. Dazu gehören beispielsweise Neutronensterne – die dichten Überreste eines explodierenden Sterns –, die einen Kern aus dunkler Materie besitzen, und Gravasterne, merkwürdige Objekte, die sich wie schwarze Löcher verhalten, aber nicht die gleiche zentrale Struktur und keinen Ereignishorizont aufweisen.
„Ziel ist es, dieses sozusagen goldene Zeitalter der Beobachtung von Gravitationswellen zu nutzen und nach Objekten zu suchen, die noch nie zuvor beobachtet worden sind, deren Existenz aber theoretisch möglich ist“, sagte Herdeiro. „Diese fremdartigen Objekte hängen mit einigen der fundamentalen Rätsel der Physik, wie z. B. der dunklen Materie, zusammen.“
Sollten sich die wissenschaftlichen Erkenntnisse als richtig erweisen, könnten sie unser Verständnis von dunkler Materie und dem Universum als Ganzem grundlegend verändern. Auch im gegenteiligen Fall würden sich uns neue, bisher wenig untersuchte Perspektiven in der Physik eröffnen, die uns bei der Entdeckung ungewöhnlicher neuer Phänomene im Kosmos helfen könnten.
Auf der Suche
Die Forschungsinitiative NewFunFiCO, die 2023 ins Leben gerufen wurde und mit Mitteln aus dem EU-Programm „Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen“ gefördert wird, läuft bis Ende 2026. „Einer der wichtigsten Aspekte in diesem Zusammenhang ist die Zusammenarbeit europäischer und außereuropäischer Partner“, so Herdeiro. Das bedeutet nicht nur Wissens- sondern auch Kulturaustausch. „Deshalb ist die Förderung durch die EU so wichtig. Sie verleiht dem Ganzen eine weitere Dimension.“
Laut Herdeiro profitiert auch die breite Öffentlichkeit von den Ergebnissen solch ehrgeiziger Programme. „Schwarze Löcher, die Kosmologie, die Geburt des Universums – all das fasziniert die Menschen“, so Herdeiro. Es gibt aber auch wirtschaftliche Vorteile: „Aus den Infrastrukturen von Großexperimenten gehen Spin-offs hervor, von denen viele gar nichts wissen“, sagt er unter Verweis auf das Beispiel der LIGO, für die extrem präzise Detektoren benötigt wurden, was zu Entwicklungen in der Elektronik im weiteren Sinne geführt hat.
Das Bestreben, winzige Verzerrungen der Raumzeit zu messen, hat die Laserinterferometrie (d. h. die lasergestützte Messung minimaler Änderungen der Entfernung), hochentwickelte Schwingungsisolierungssysteme und ultrapräzise Optiken auf ein bislang unerreichtes Empfindlichkeitsniveau gebracht.
Ähnliche Technologien werden heutzutage in Bereichen wie Präzisionsfertigung, bildgebende Diagnostik und Navigationssysteme eingesetzt. Die wichtigste Erkenntnis ist jedoch, dass es im Universum seltsame Objekte geben kann, die kurz vor ihrer Entdeckung stehen – etwa verborgene Ansammlungen dunkler Materie, die sich als Sterne tarnen.
„Die derzeit vorherrschende Ansicht ist, dass es eine Art Teilchen gibt, das aus dunkler Materie besteht“, so Sanchis-Gual. „Das wäre eine Möglichkeit.“ Wenn die Existenz auch nur eines einzigen solchen Objekts bestätigt würde, wäre dies für die Physik ein erster echter Hinweis darauf, was dunkle Materie ist. Das würde unsere Sichtweise auf das Universum entscheidend verändern.
Von Jonathan O’Callaghan
Weitere Informationen:
Die in diesem Beitrag beschriebene Forschungsarbeit wurde im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanziert. Die Ansichten der Interviewpartner entsprechen nicht unbedingt denen der Europäischen Kommission. Dieser Artikel wurde ursprünglich in Horizon, dem Forschungs- und Innovationsmagazin der EU veröffentlicht.