Vor einigen Wochen habe ich über Stephen West von der Royal Holloway Universität London berichtet und seine Überlegungen ob die Sonne einen Kern aus dunkler Materie hat. Denn die dunkle Materie ist mit ziemlicher Sicherheit irgendwo da draußen; wir sehen, wie sie Galaxien und Galaxienhaufen beeinflusst. Die meisten Wissenschaftler gehen davon aus, dass es sich bei der dunklen Materie um bisher unbekannte Elementarteilchen handelt, die man WIMPs (Weakly Interactive Massive Particles) nennt (und die man vielleicht sogar doch schon entdeckt hat). Wenn dunkle Materie tatsächlich aus WIMPs besteht, dann gibt es vielleicht noch eine weitere Möglichkeit, sie nachzuweisen. Denn diese WIMPs würden sich dann auch in den Sternen selbst ansammeln – und das hätte nachweisbare Folgen…

Bei der Arbeit von Stephen West gab es ja das Problem dass nicht ganz klar war, was er nun eigentlich gemacht hatte (ein wissenschaftlicher Artikel war nicht auffindbar) und von der spezielle Art von WIMPs auf der seine Thesen basierten konnte man auch schon so gut wie sicher zeigen dass sie nicht existieren. Vor einigen Tagen ist nun aber eine neue Arbeit zweier Astronomen aus Portugal erschienen die das Thema “Dunkle Materie in Sternen” schön übersichtlich behandelt und in der genau berechnet wurde, was sich daraus für zu beobachtende Effekte ergeben.

Jordi Casanellas und Ilídio Lopes vom Instituto Superior Técnic in Lissabon bzw. der Universität von Évora haben in ihrem Artikel “Towards the use of asteroseismology to investigate the nature of dark matter” genau nachgesehen, was man mit asteroseismologischen Methoden über dunkle Materie herausfinden kann.

Die Grundthese sie folgendermassen aus: dunkle Materie ist überall im Universum; also auch da, wo Sterne entstehen. Diese dunkle Materie kann sich dann im Inneren der Sterne ansammeln wo sich die DM-Teilchen bei Kollision selbst auslöschen und dabei Strahlung erzeugen. Diese Strahlung existiert natürlich im klassischen Bild der Sternentwicklung nicht und daher sollten sich Unterschiede zwischen Beobachtung und den Vorhersagen der bisherhigen Theorien ergeben. Das gilt besonders für Sterne, die sich schon im frühen Universum gebildet haben – denn da gab es die meiste dunkle Materie.

Casanellas und Lopes haben nun sonnenähnliche Sterne simuliert die sich in Halos mit einer hohen DM-Dichte entwickelt haben. Die Größe, die hier von besonderer Bedeutung ist, ist die Einfangrate der DM-Teilchen. Sie kann mit folgendem Integral berechnet werden (ich verzichte zwar meistens auf komplizierte Formeln – aber heute hab ich mal Lust auf Integrale 😉 )

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Die relevanten Zahlen sind hier fv* (u) – das ist die Geschwindigkeitsverteilung der DM-Teilchen und Ωvi; die Wahrscheinlichkeit, dass ein DM-Teilchen eingefangen wird. Diese Teilchen sammeln sich dann im Zentrum des Sterns. Nimmt man eine DM-Teilchenmasse von 100 GeV dann besetzen sie in etwa das innerste Zehntel des Sterns. Unter der Annahme das die DM-Teilchen ihre eigenen Antiteilchen sind (Majorana-Teilchen), annihilieren sie sich nun gegenseitig und erzeugen Strahlung. Das kann verschiedene Auswirkungen haben. Ist die Dichte der DM-Teilchen im Sternentstehungsgebiet sehr hoch – größer als 3 * 109 GeV pro cm³ – dann ist der Strahlungsdruck der durch die DM-Annihilation entsteht so groß, dass er der Gravitation so stark entgegenwirkt das der Protostern nicht stark genug kontrahieren kann um die Kernfusion im Zentrum zu starten. Er wird also gar nicht erst zum Stern werden. Ist die DM-Dichte geringer, dann entsteht der Stern – aber er hat nun neben der Kernfusion eine zusätzliche Energiequelle in seinem Inneren. Diese ganze Energie kann nun nicht mehr mit Strahlung nach außen transportiert werden; der Stern muss also auf eine andere Art des Energietransports zurückgreifen: Konvektion. Plasma im Sterninneren wird erwärmt; steigt auf und gibt dabei Wärme ab und wenn es kühl ist, sinkt es wieder nach unten (so wie in einer Lavalampe). So einen konvektiven Kern haben Sterne normalerweise nicht – das ist eine direkte Folge der dunklen Materie.

Aber mit unseren Teleskopen können wir leider nicht in die Kerne der Sterne hineinsehen. Wie es darin aussieht, wissen wir nicht. Wir können uns aber der gleichen Technik bedienen, die wir nutzen um herauszufinden, wie es im Inneren der Erde aussieht: Seismologie! Auf der Erde analysieren die Geolgen die Ausbreitung von Erdbebenwellen um mehr über das Innenleben unseres Planeten zu erfahren. Das gleiche funktioniert auch mit Sternen. Die sind ja im Gegensatz zur Erde keine Festkörper sondern Gaskugeln und daher ständig in Bewegung bzw. in Schwingung. Und aus der Art und Weise dieser Schwingungen lässt sich einiges über Inneres erfahren. Wie solche Sterne schwingen kann man z.B. in diesen Animationen (die Größenordnungen sind etwas übertrieben) sehen:

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Man sieht recht gut, dass sich hier immer wieder Teile der Sternoberfläche zuerst auf uns zu und dann wieder von uns weg bewegen. Misst man nun die Spektrallinien des Sterns, dann erkennt man eine periodische auftretende Blau- bzw. Rotverschiebung. Das ist genau das selbe wie bei der Radialgeschwindigkeitsmethode zur Suche nach Exoplaneten. Große Weltraumteleskope wie CoRoT und Kepler dienen daher nicht nur der Suche nach neuen Planeten sondern werden auch von den Asteroseismologen verwendet. Sie messen damit die Schwingungen verschiedenster Sterne und können daraus jede Menge Informationen über deren Innerstes ableiten. Casanellas und Lopes haben nun genau berechnet, wie sich z.B. die Schallgeschwindigkeit im Inneren des Sterns oder sein Dichteprofil ändert; je nachdem ob viel oder wenig dunkle Materie vorhanden ist:

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Besonders gut sieht man das im oberen Bild das die Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit des Abstands vom Sternzentrum zeigt. Während die blaue und graue Linie Sterne mit keiner bzw. so gut wie keiner dunklen Materie zeigen und gleichmäßig verlaufen erkennt man bei den anderen einen deutlichen “Knick” der auf das Vorhandensein eines konvektiven Kerns zurückzuführen ist.

Um solche Unterschiede nun tatsächlich messen zu können, muss man natürlich auch die Sternschwingungen möglichst genau messen. Casanellas und Lopes meinen, dass die nötige Genauigkeit heute schon möglich ist. Man müsste einen Stern mit CoRoT oder Kepler etwa 100 Tage lang beobachten um ausreichend Daten für eine passende Analyse zu haben (Hu – die Exoplanetenforscher und die Asteroseismologen streiten ja jetzt schon ständig um die Beobachtungszeit – wenn sich nun auch noch die Leute mit der dunklen Materie einmischen wirds wirklich rund gehen 😉 ). Die Portugiesen sagen allerdings auch, dass man solche Sterne mit durch DM-Teilchen hervorgerufene konvektive Kerne am ehesten in der Nähe des Zentrums der Milchstrasse findet. Und weil es dort so hell ist, ist es natürlich besonders schwierig, gute Beobachtungen anzustellen. Aber wer weiß: vielleicht finden wir die dunkle Materie schneller als wir gedacht hätten…

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Jordi Casanellas, & Ilídio Lopes (2010). Towards the use of asteroseismology to investigate the nature of dark matter MNRAS arXiv: 1008.0646v1

Kommentare (15)

  1. #1 Bjoern
    12. August 2010

    Hübsche Idee! 🙂

    Die Formel ist allerdings reichlich unverständlich – da werden jede Menge Bezeichnungen nicht erklärt! (ich hab’ mal ins Paper selbst reingeschaut – da steht auch nix dazu…). R* ist offensichtlich der Sternradius; u ist wahrscheinlich der Betrag der Geschwindigkeit. Aber was ist w? Über welche i wird hier summiert? Was bedeuten der obere Index – am Omega, und der untere Index v_i? Was bedeutet der Index chi am C? Wo steckt im Term rechts die durch das (t) links angedeutete Zeitabhängigkeit?

    Ich *liebe* solche Paper, die ihre Formeln nicht vernünftig erklären, einfach… Klar, man könnte in das Paper von Gould, das da zitiert wird, reinschauen – aber warum die Formel nicht einfach selbst etwas ausführlicher erklären? Würde die Lesbarkeit stark erhöhen… (falls die Autoren davon ausgehen, dass eh jeder, der das Paper liest, die Formel schon kennt, warum erklären sie dann das f und das Omega?)

  2. #2 J. Kepler
    12. August 2010

    Ich weiß nicht so recht. Solange sie nicht in einem Experiment nachgewiesen oder mit Beobachtungen weitgehend eindeutig belegt werden, halte ich dunkle Materie und dunkle Energie ja für Epizykel.

  3. #3 Bullet
    12. August 2010

    Nun, das da oben wäre ja genau das Experiment: die Theorie sagt eben jenen Knick in der Grafik voraus – und wenn man jetzt genau solche Kurven messen kann, ist das doch ein gutes Indiz. Und wenn man mit genügender Genauigkeit solche Kurven hinbekommt, in denen sich dann diese Knicke genau NICHT zeigen … dann ist das ein ebenso starkes Indiz dafür, daß die Vorstellung, die man sich von DM macht, evtl. falsch ist. Wenn dann jede weitere modifizierte Vorstellung von DM genauso bei darauf angepaßten Experimenten versagt, könnte es in der Tat angebracht sein, auf dieses alte Beispiel zurückzublicken.

  4. #4 Florian Freistetter
    12. August 2010

    @Bjoern: Ja, so ist das mit Formeln in papers 😉 “u” wird wohl einfach die Geschwindigkeit sein, wenn f(u) die Verteilung ist. Aber ansonsten hast du recht – solche Paper sind nervig – hab mich da auch schon oft durchgekämpft…

  5. #5 J. Kepler
    12. August 2010

    @Bullet:
    Natürlich ist das hier Beschriebene ein notwendiger Nachweis. Ich wollte im Grunde nur einmal anmerken, dass es mir vor dem Hintergrund von Occams Rasiermesser bei der gegenwärtigen “Dunkelheiten-Astronomie” die Nackenhaare aufstellt. Klar ist es verlockend, wenn man unpassende Beobachtungen durch die Annahme neuer Entitäten erklären kann, ohne dass man ansonsten gut Bestätigtes anpassen müsste. Doch gerade bei der Gravitation weiß man doch, dass man zwar viel weiß, aber zwingend(!) noch zu wenig (die alte Geschichte: Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind beide für sich experimentell sehr gut bestätigt, schließen sich aber gegenseitig aus). Warum die gefühlte(?) Mehrheit der Astronomen so von der dunklen Materie begeistert ist, kann ich daher nicht ganz nachvollziehen. Sicher, dunkle Materie und dunkle Energie sind aufregender als eine “einfache” Anpassung “irgendwelcher Formeln”. Aber das Sparsamkeitsprinzip gibt es doch nicht grundlos in den Wissenschaften. Das soll nicht heißen, dass man diese Dunkelheiten nicht erforschen sollte. Mich stört nur die gefühlte(?) Dominanz und Selbstsicherheit, die diese Hypothesen einnehmen.

  6. #6 Florian Freistetter
    12. August 2010

    @Kepler: “Klar ist es verlockend, wenn man unpassende Beobachtungen durch die Annahme neuer Entitäten erklären kann, ohne dass man ansonsten gut Bestätigtes anpassen müsste. Doch gerade bei der Gravitation weiß man doch, dass man zwar viel weiß, aber zwingend(!) noch zu wenig”

    Naja – so wenig weiß man über die Gravitation auch nicht. Und die Geschichte dass sich die Astronomen einfach “irgendwas” ausgedacht haben um ihre kostbaren Theorien nicht aufgeben zu müssen, ist auch ne urbane Legende. Wie das abgelaufen ist, hab ich ja hier beschrieben: http://www.scienceblogs.de/astrodicticum-simplex/2008/12/neptun-vulkan-und-die-dunkle-materie.php

    “Aber das Sparsamkeitsprinzip gibt es doch nicht grundlos in den Wissenschaften.”

    Und warum sollte es sparsamer sein, eine ganze Theorie wegzuwerfen anstatt die gut funktionierende Theorie zu behalten und stattdessen ein paar neue Bausteine einzuführen? Die Vergangenheit hat ja gezeigt dass es oft genau war: Antimaterie, Neutrinos, Quarks,… wurden alle zuerst theoretisch eingeführt und dann nachgewiesen. Was nicht heisst, dass nicht tatsächlich MOND richtig sein könnte.

    “Mich stört nur die gefühlte(?) Dominanz und Selbstsicherheit, die diese Hypothesen einnehmen.”

    Naja – das liegt daran, dass die dunkle Materie zur Zeit tatsächlich viel mehr erklären kann als MOND (http://scienceblogs.com/startswithabang/2010/07/the_dark_matter_crisis_hardly.php)

  7. #7 Dorian
    12. August 2010

    Was ich als interessierter Laie mich sowohl bei diesem als auch bei dem neulichen Artikel frage ist, wieso soll sich die DM in Sternen sammeln? Sie tut es zwar, nach aktuellem Stand, wohl auch in der Nähe von schweren Galaxienhaufen (du hattest hier schon einige Artikel zu dem Thema @ Florian), aber ich dachte DM würde sich nicht wirklich anreichern und “klumpen”. Hätten wir sonst nicht, wenn dem so wäre, irgendwo gigantische Ansammlungen von DM die man schon längst entdeckt hätte wegen ihrer Gravitation? Oder sind wir da dann wieder bei den Ansammlungen in der Nähe von Galaxienhaufen?

  8. #8 Florian Freistetter
    12. August 2010

    @Dorian: Also wie genau sich die DM verhält kann ich dir nicht sagen – das hängt von den Details der jeweiligen Modelle ab. So wie ich das in diesem Fall verstanden habe, ist die Umgebung von Sternentstehungsgebieten in und um Galaxien mit DM durchsetzt. Sterne können dann die DM anziehen und die annihilieren sich dann; sie sammeln sich also nicht wirklich an sondern erzeugen nur STrahlung.

  9. #9 MartinB
    12. August 2010

    Aber müsste nicht ein homogenes Gas aus DM auch instabil sein und zum Kollabieren aufgrund seiner Schwerkraft neigen? Und dann zerstrahlen, wenn die ihre eigenen Antiteilchen sind? Wieso sind die dann dunkel? Oder ist die Dichte zu klein dafür?

  10. #10 Florian Freistetter
    12. August 2010

    @MartinB: Hmm – da muss ich jetzt erstmal passen. Da hab ich zuwenig Ahnung von Teilchenphysik um das auf die schnelle beantworten zu können. Mal sehen, vielleicht find ich in den nächsten Tagen was raus.

  11. #11 Bjoern
    12. August 2010

    @J.Kepler:

    Ich weiß nicht so recht. Solange sie nicht in einem Experiment nachgewiesen oder mit Beobachtungen weitgehend eindeutig belegt werden, halte ich dunkle Materie und dunkle Energie ja für Epizykel.

    Ethan Segal bei ‘”Starts with a bang” auf den englischen science blogs hat -zig Artikel zu den Belegen für dunkle Materie (und soweit ich mich erinnere, auch einige zur dunklen Energie) und erklärt sehr schön, warum das eben nicht nur Epizykel sind, sondern durch Beobachtungen schon gut bestätigt. Alternativ findet man auch hier kurze Zusammenfassungen (auch auf englisch):
    http://www.talkorigins.org/faqs/astronomy/bigbang.html#darkmatter
    http://www.talkorigins.org/faqs/astronomy/bigbang.html#darkenergy

  12. #13 Bjoern
    12. August 2010

    @Florian: ‘tschuldigung, ich wollte sicher nicht von deinen Leistungen ablenken… Aber du hattest ja oben schon auf einen deiner Artikel verwiesen, deshalb dachte ich, ich erwähne auch mal ein paar andere dazu.

  13. #14 Jordi Casanellas
    27. September 2010

    Thank you Florian for your post. Your summary is nicer than our own work! 😉

    @ Bjoern: the capture rate main dependences are on the dark matter (DM) density on the neighbourhood of the star and on the DM particle-nucleon scatterig cross section. For the capture of DM particles to be efficient enough, we need DM particles to interact with baryons inside the star, thus they lose energy and get gravitationally trapped. You can find the details on the Gould or Scott et al papers (links at the end).

    @MartinB: you are right. Astronomers are also looking for the products of DM annihilation (as gamma rays, positrons…) in “clouds” of DM in regions where it is supposed to exist a lot of DM (as in the galactic center or in the dwarf galaxies around the milky way). The DM annihilation rate is proportional to the square of its density. When DM accumulate inside a star, the local DM density in the core of the star is much higher than outside. Note that the DM halo densities needed to have the stellar effects we described are 10^9 times greater than the estimated DM density in the surroundings of the Sun and the Earth.

    Gould (1987): http://adsabs.harvard.edu/abs/1987ApJ…321..571G
    Scott et al (2009): http://arxiv.org/abs/0809.1871

    (maye I missed something in the post or in the comments because I’m using google to translate from german to english)

  14. #15 Florian Freistetter
    27. September 2010

    @Jordi Casanellas: Many thanks for details! (and the nice scientific results of course 😉 )