Weiße Zwerge geben mehr von ihren Geheimnissen preis und entdecken, dass ihre äußeren Schichten umso bauschiger sind, je heißer sie sind. Auch wenn dieser Befund unbedeutend klingt, könnte sich das Verständnis der Struktur von Weißen Zwergen letztendlich als entscheidend für die Entdeckung der geheimnisvollen Dunklen Materie erweisen.
Weiße Zwerge sind die Kernreste sonnenähnlicher Sterne, die ihren gesamten nutzbaren Kernbrennstoff verbraucht haben. In fünf Milliarden Jahren wird sich unsere Sonne nach ihrer Roten-Riesen-Phase in einen Weißen Zwerg verwandeln. Die äußeren Schichten der Sonne werden in den Weltraum geschleudert und geben ihren perlmuttartigen Kern frei. Weiße Zwerge können die Masse eines Sterns in ein Volumen von der Größe der Erde packen, was bedeutet, dass sie extrem dicht sind – ein Esslöffel Weißer-Zwerg-Material kann Tonnen wiegen. Ihr Inneres treibt die Physik auf die Spitze, aber die Theorie kann abhängig von ihrer Masse und Temperatur Vorhersagen über Weiße Zwerge treffen.
Weiße Zwerge werden heiß geboren, oft bei etwa 180.000 Grad Fahrenheit (100.000 Grad Celsius), obwohl festgestellt wurde, dass einige sogar noch heißer sind. Dass sie so heiß sind, überrascht nicht – sie sind schließlich der erloschene Kern eines Sterns und haben eine gravitative Kontraktion erfahren, als sie aufgehört haben, Energie zu produzieren. Anschließend beginnt mit der Zeit der langsame Abkühlungsprozess.
Die Mindestgröße eines Weißen Zwergs wird durch den sogenannten Elektronenentartungsdruck gesteuert. Im Inneren eines Weißen Zwergs können Elektronen nur so weit zusammengedrückt werden, dass quantenmechanische Effekte eine weitere Verdichtung verhindern. (Neutronensterne, die eine größere Masse haben, können den Elektronenentartungsdruck außer Kraft setzen und Elektronen und Protonen dazu zwingen, sich zu Neutronen zu verschmelzen. Daher unterliegen Neutronensterne dem Neutronenentartungsdruck.)
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Das bestimmt also die Mindestgröße eines Weißen Zwergs, während seine Maximalgröße von seiner Masse (je massereicher, desto größer) und seiner Temperatur abhängt. Die Theorie sagt voraus, dass seine äußeren Schichten umso aufgeblähter sein sollten, je heißer ein Weißer Zwerg ist.
Jetzt haben Astronomen erstmals gezeigt, dass diese Theorie richtig ist. Forscher unter der Leitung von Nadia Zakamska von der Johns Hopkins University haben die gravitative Rotverschiebung des Lichts von mehr als 26.000 Weißen Zwergen gemessen, die über unsere Milchstraße verstreut sind, wie sie vom Sloan Digital Sky Survey und der Raumsonde Gaia der Europäischen Weltraumorganisation beobachtet wurden. Die gravitative Rotverschiebung ist ein Effekt, der dadurch entsteht, dass die Masse des Weißen Zwergs den ihn umgebenden Raum verzerrt, in Übereinstimmung mit Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, was dazu führt, dass die Wellenlänge des Lichts des Weißen Zwergs gestreckt wird.
Kompaktere Weiße Zwerge weisen eine starke Gravitationsrotverschiebung auf, da ihre Schwerkraft stärker ist als die voluminöserer Weißer Zwerge. Zakamskas Team fand heraus, dass die beobachteten gravitativen Rotverschiebungen tatsächlich mit den Vorhersagen übereinstimmten, dass heißere Weiße Zwerge bauschiger sein werden, selbst wenn sie die gleiche Masse wie kühlere Weiße Zwerge haben.
Es gibt also keine Überraschungen – aber die Ergebnisse sind möglicherweise wichtiger für das, was sie uns letztendlich offenbaren könnten. Das liegt daran, dass Astronomen unser Wissen über Weiße Zwerge als Grundlage für die Suche nach exotischeren Phänomenen wie der Dunklen Materie nutzen können.
„Weiße Zwerge sind einer der am besten charakterisierten Sterne, mit denen wir zusammenarbeiten können, um diese zugrunde liegenden Theorien der gewöhnlichen Physik zu testen, in der Hoffnung, dass wir vielleicht etwas Verrücktes finden, das auf neue grundlegende Physik hinweist“, sagte Nicole Crumpler von Johns Hopkins University in einer Erklärung. „Wenn Sie nach dunkler Materie, Quantengravitation oder anderen exotischen Dingen suchen möchten, müssen Sie die normale Physik besser verstehen. Andernfalls könnte etwas, das neu erscheint, nur eine neue Manifestation eines Effekts sein, den wir bereits kennen.“
Seit Jahrzehnten gehen viele Astronomen davon aus, dass es sich bei der Dunklen Materie um eine Art hypothetisches Teilchen namens WIMP handelt: ein schwach wechselwirkendes massives Teilchen. Das Versäumnis, WIMPS zu entdecken, hat jedoch dazu geführt, dass ein anderer Kandidat an Bedeutung gewonnen hat: Axions. Axionen, eine weitere Art hypothetischer Teilchen, werden von der Quantenchromodynamik vorhergesagt, unserer besten Quantentheorie der starken Kraft, die Quarks zusammenhält, um Protonen, Neutronen und letztendlich Atomkerne zu bilden.
In einer Galaxie, die von einem Halo aus dunkler WIMP-Materie durchdrungen ist, würden sich die WIMPs in der Nähe des Zentrums der Galaxie versammeln und zum Rand der Galaxie hin sanft dünner werden. Nicht so bei Axionen; Quanteninterferenzmuster würden dazu führen, dass die Verteilung der Axionen im Halo aus dunkler Materie einer Galaxie in Spitzen und Tälern auftritt, die sich jeweils über Tausende von Lichtjahren erstrecken.
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Was hat das also mit Weißen Zwergen zu tun? Wenn sich zwei (oder mehr) Weiße Zwerge in einem der Axion-Peaks befinden, könnte die zusätzliche Dunkle Materie ihre innere Struktur auf subtile Weise verändern, was sich in unerwarteten Schwankungen der Temperatur, der Masse oder der gravitativen Rotverschiebung bemerkbar machen würde, die wir nur aufgrund dessen erkennen könnten wie gut wir Weiße Zwerge verstehen.
„Deshalb ist das Verständnis einfacherer astrophysikalischer Objekte wie Weißer Zwerge so wichtig, weil sie Hoffnung auf die Entdeckung geben, was dunkle Materie sein könnte“, sagte Crumpler.
Wir sind jedoch noch nicht am Ziel – es gibt noch mehr über Weiße Zwerge zu lernen.
„Die nächste Grenze könnte darin bestehen, die äußerst subtilen Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Kerne von Weißen Zwergen unterschiedlicher Masse zu entdecken“, sagte Zakamska.
Das Verständnis der Weißen Zwerge bietet daher nicht nur einen Einblick in die Zukunft unserer Sonne, wenn sie in etwa fünf Milliarden Jahren zu einem Weißen Zwerg wird. Sie fungieren möglicherweise auch als Portal in die Bereiche der Allgemeinen Relativitätstheorie, der Quantenphysik und der Dunklen Materie.
Die neuen Erkenntnisse wurden am 18. Dezember im Astrophysical Journal veröffentlicht.
