Ultra-compact twin stars with hybrid equations of state from bosonic dark matter

Tief im Herzen des Universums, wo die Gravitation so intensiv ist, dass sie Materie in einen Zustand verdichtet, der dichter als jedes Material auf der Erde ist, liegen die Überreste toter Sterne. Dies sind Neutronensterne, die kosmischen Leichen massiver Sonnen, die unter ihrem eigenen Gewicht kollabiert sind. Während wir die äußeren Schichten dieser Objekte verstehen, bleiben ihre Kerne ein tiefgreifendes Rätsel. Der Druck im Inneren ist so extrem, dass er Protonen und Neutronen dazu zwingen könnte, sich in eine Suppe aus ihren Bestandteilen aufzulösen, die als Quark-Materie bekannt ist. Gleichzeitig ist das Universum erfüllt von unsichtbarer Dunkler Materie, einer Substanz, die kein Licht aussendet, aber Gravitation ausübt. Seit Jahrzehnten fragen sich Wissenschaftler, was passiert, wenn diese beiden kosmischen Rätsel aufeinandertreffen: Was wäre, wenn ein Neutronenstern nicht nur aus gewöhnlicher Materie besteht, sondern auch eine signifikante Menge an Dunkler Materie in seinem Kern eingeschlossen hält?

Ein Forschungsteam der Goethe-Universität Frankfurt hat einen neuen Blick auf diese Möglichkeit geworfen, indem es die Physik der Quark-Materie mit der Physik der Dunklen Materie kombinierte, um zu sehen, wie sie das Leben eines Neutronensterns umgestalten. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches Szenario, in dem der Übergang von normaler Materie zu Quark-Materie plötzlich und heftig erfolgt, statt graduell. In der Welt der Ein-Fluid-Sterne erzeugt ein solcher plötzlicher Sprung normalerweise eine Lücke in der Stabilität, was bedeutet, dass Sterne mit bestimmten Massen schlichtweg nicht existieren können. Die Forscher fanden jedoch heraus, dass das Hinzufügen eines zweiten Fluids aus Dunkler Materie die Regeln völlig verändert. Durch die Simulation dieser Hybrid-Sterne entdeckten sie, dass Dunkle Materie als stabilisierendes Agens wirken kann, die Lücken glättet und neue Arten von Sternen ermöglicht, die zuvor als unmöglich galten.

Die Studie zeigt, dass die Anwesenheit von Dunkler Materie die Struktur eines Neutronensterns auf zwei sehr unterschiedliche Arten verändern kann, wodurch zwei verschiedene Familien ultrakompakter Objekte entstehen. In einem Szenario bildet die Dunkle Materie einen dichten Kern, der tief im Inneren des Sterns verborgen liegt und von einer Hülle aus normaler Materie umgeben ist. In dem anderen Fall bildet die Dunkle Materie einen riesigen, diffusen Halo, der den gesamten Stern umhüllt und weit über die sichtbare Oberfläche der normalen Materie hinausreicht. Bemerkenswerterweise können beide Arten von Sternen unglaublich klein und schwer sein und so viel Masse auf so kleinem Raum unterbringen, dass sie die Grenzen dessen erreichen, was die Physik erlaubt. Die Forscher fanden heraus, dass diese ultrakompakten Sterne einen Kompaktheitswert von mindestens einem Drittel erreichen können – ein Schwellenwert, bei dem der Stern so dicht ist, dass Licht eine Umlaufbahn um ihn ziehen kann, ein Merkmal, das normalerweise mit Schwarzen Löchern assoziiert wird.

Was diese Entdeckung besonders bemerkenswert macht, ist die Art und Weise, wie Dunkle Materie die Beziehung zwischen der Masse eines Sterns und seiner Größe verändert. In einem Standard-Neutronenstern schrumpft der Stern, wenn man ihm mehr Masse hinzufügt. Doch unter Beteiligung Dunkler Materie fanden die Forscher heraus, dass die sichtbare Größe des Sterns dramatisch schrumpfen kann, während seine Gesamtmasse hoch bleibt, oder umgekehrt, dass der Stern eine ähnliche sichtbare Größe beibehalten kann, während er eine völlig andere Menge an Dunkler Materie trägt. Dies führt zu einem Phänomen, das die Autoren als „ultimative Zwillinge“ bezeichnen. Dies sind Paare von Sternen, die für unsere Teleskope identisch aussehen – sie haben dieselbe Masse und denselben sichtbaren Radius –, aber im Inneren grundlegend verschieden sind. Einer könnte ein reiner Hybridstern mit einem Quarkkern sein, während sein Zwilling ein Hybridstern mit einem massiven Halo aus Dunkler Materie ist. Ein Beobachter, der nur die Größe und das Gewicht des Sterns misst, würde sie als dasselbe Objekt wahrnehmen, doch ihre interne Zusammensetzung und ihre Reaktion auf Gravitationskräfte wären völlig unterschiedlich.

Die Forscher untersuchten auch, wie sich diese Sterne verhalten würden, wenn sie kollidieren oder durch die Gravitation eines Begleitsterns beeinflusst würden. Sie fanden heraus, dass die Anwesenheit von Dunkler Materie einen klaren Fingerabdruck in Form von Gravitationswellen hinterlässt. Die von ihnen identifizierten „ultimativen Zwillinge“ würden unterschiedliche Signale erzeugen, wenn sie mit anderen Sternen interagieren, selbst wenn sie im sichtbaren Licht gleich aussehen. Darüber hinaus untersuchte die Studie das Licht, das aus der Oberfläche dieser Sterne entweicht. Da Gravitation das Licht beugt, wird das Licht eines sehr dichten Sterns gestreckt, oder rotverschoben, während es zu uns reist. Das Team fand heraus, dass die zwei Arten von ultrakompakten Sternen sehr unterschiedliche Rotverschiebungen produzieren. Die Sterne mit einem Kern aus Dunkler Materie zeigen eine hohe Rotverschiebung, ähnlich dem, was wir von den dichtesten normalen Sternen erwarten. Im Gegensatz dazu zeigen die Sterne mit einem Halo aus Dunkler Materie eine überraschend niedrige Rotverschiebung, obwohl sie ebenso kompakt sind. Dieses kontraintuitive Ergebnis tritt ein, weil ein Großteil der Masse in der Halo-Version außerhalb der Oberfläche liegt, von der das Licht emittiert wird, sodass das Licht nicht aus einem so tiefen Gravitationspotential aufsteigen muss, wie man erwarten würde.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Universum einen Zoo von exotischen Sternen verbergen mag, die wir noch nicht identifiziert haben. Die Forscher schlagen vor, dass zukünftige Teleskope, die in der Lage sein werden, die Größe und Masse von Neutronensternen mit viel größerer Präzision als aktuelle Instrumente zu messen, solche Anomalien entdecken könnten. Wenn ein Teleskop einen Stern entdeckt, der unglaublich klein und schwer ist, oder wenn Gravitationswellendetektoren ein Signal hören, das nicht zu der sichtbaren Größe des Sterns passt, könnte dies der erste Beweis dafür sein, dass Dunkle Materie im Inneren eines Neutronensterns lebt. Die Studie behauptet nicht, diese Sterne bereits gefunden zu haben, aber sie liefert eine detaillierte Karte, wo man suchen muss und was zu erwarten ist. Sie zeigt, dass das Zusammenspiel zwischen dem plötzlichen Übergang zu Quark-Materie und der Anwesenheit Dunkler Materie eine reiche Landschaft an Möglichkeiten schafft, die den Neutronenstern in ein Labor verwandelt, in dem die Gesetze der Gravitation und der Teilchenphysik unter den extremsten vorstellbaren Bedingungen getestet werden.

Die Arbeit klärt auch eine langjährige Frage über die Stabilität dieser Sterne. In früheren Modellen wurde angenommen, dass ein plötzlicher Wechsel von normaler Materie zu Quark-Materie eine instabile Region erzeugt, in der Sterne nicht existieren können. Die Forscher fanden heraus, dass die Hinzufügung Dunkler Materie diese Instabilität aufhebt. Anstatt einer Lücke in der Sequenz möglicher Sterne schafft die Anwesenheit Dunkler Materie einen kontinuierlichen Pfad, der es Sternen ermöglicht, nahtlos von einem Zustand in den anderen überzugehen, ohne zu kollabieren. Dies bedeutet, dass die von früheren Theorien vorhergesagten „Zwillingssterne“ vielleicht nicht so selten und unterscheidbar sind, wie einst gedacht; sie könnten Teil einer kontinuierlichen Familie von Sternen sein, die einfach unterschiedliche Mengen an Dunkler Materie tragen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Suche nach Dunkler Materie nicht unbedingt im leeren Raum zwischen den Galaxien stattfinden muss, sondern in den dichtesten, kompaktesten Objekten des Universums, wo das Unsichtbare und das Sichtbare in einer gravitativen Umarmung miteinander verschlungen sind.