Die Erkenntnis, dass der größte Teil der Materie im All unsichtbar ist, lässt Astronomen seit vielen Jahrzehnten nicht ruhen. Jetzt gelang es einem internationalen Forscherteam erstmalig dunkle Materie im Halo unserer Galaxis direkt zu beobachten. Bei über einem Drittel der Dunkelmaterie könnte es sich, so die Forscher, um abgekühlte Sternleichen, sogenannte Weiße Zwerge, handeln.

Der Weiße Zwerg Stern WD 0346. Foto: Nigel C. Hambly, University of Edinburgh/Simon T. Hodgkin, Cambridge University. From Hambly et al. (ApJ Letters, 1997) and Hodgkin et al. (Nature, 2000)

Diese Entdeckung, die ein wichtiger Schritt zur Lösung zumindest eines Teils des Dunkelmaterie-Problems sein könnte, gelang dem Astronomenteam durch die gezielte Suche nach Weißen Zwergen auf digitalisierten Bildern des südlichen Himmels. Die Forscher fanden darauf 38 bislang unentdeckte Weiße Zwerge, die im Umkreis von 450 Lichtjahren um die Erde herum liegen. Wenn man nun annimmt, dass die Dichte dieser Sterne der Dichte der anderen Objekte im Halo ähnelt, würden diese Sternleichen mindestens drei, im Maximalfall aber bis zu 35 Prozent der Dunklen Materie im Halo unserer Galaxis ausmachen.

"Wir haben eine zuvor nicht entdeckte Population von Sternen im galaktischen Halo aufgespürt, die einen Anteil an der baryonischen Dunkelmaterie darstellen", erläutert Ben R. Oppenheimer von der Universität von Kalifornien in Berkeley. "Das wirft eine ganze Reihe neuer Fragen nach der Sternentstehungsgeschichte in unserer Galaxis und den grundsätzlichen Sternentstehungsprozessen auf." 

Das Dunkelmaterieproblem beschäftigt die Astronomen schon seit 1933, als der Fritz Zwicky feststellte, dass die in einem Galaxienhaufen enthaltene Masse nicht ausreicht, um die Bewegung des Haufens zu erklären. Ähnliches gilt auch für einzelne Galaxien wie unsere Milchstraße. Astronomen nehmen heute an, dass rund 95 Prozent der Materie nicht sichtbar ist, es sich dabei also um Dunkelmaterie handelt. Nun stellt sich die Frage, um was es sich bei dieser Dunkelmaterie handeln könnte. Im Prinzip unterscheiden die Astronomen da zwei Hauptgruppen: Eine Gruppe aus exotischen Teilchen, die aus dem Zoo der Teilchenphysiker stammen und WIMPs (für weakly interacting massive particles, schwach wechselwirkende massive Teilchen) genannt werden. Die andere Gruppe, die für bis zu 35 Prozent der dunklen Materie verantwortlich sein könnte,  besteht aus sogenannter baryonischer Dunkelmaterie, also als normaler Materie aus der Sterne gemacht sind. Es sind also keine exotischen Teilchen, sondern lediglich Sterne oder ähnliche Objekte, die zu leuchtschwach sind, um sie zu beobachten.

Diese baryonische Dunkelmaterie vermuteten die Wissenschaftler beispielsweise im Halo unserer Galaxis und nennen sie MACHOs (für massive astrophysical halo objects). Und in mehreren Projekten wird seit einigen Jahren versucht, diesen MACHOs auf die Spur zu kommen. Die Suche geschieht mit indirekten Methoden, in dem man versucht durch die MACHOs verursachte Störungen im Bild von entfernten Sternen zu erkennen, die entstehen, wenn die MACHOs durch die Sichtlinie laufen. Aus diesen Untersuchungen konnte man bisher folgern, dass bis zu 50 Prozent der Halomasse aus MACHOs bestehen könnte und ein individueller MACHO in etwa die Masse eines Weißen Zwerges, also eines ausgebrannten Sterns, haben sollte.

Mit den nun veröffentlichen direkten Beobachtungen bislang unentdeckter Weißer Zwerge präsentieren die Forscher quasi eine natürliche Erklärung für die Ergebnisse der MACHO-Experimente. Das Team suchte nach sehr kalten Weißen Zwergen, deren Masse ungefähr halb so groß ist, wie die Masse unserer Sonne. Bislang war man davon ausgegangen, dass Weiße Zwergen, deren nukleares Feuer erloschen ist, immer röter und röter werden, je weiter sie abkühlen. Erst kürzlich wiesen einige Theoretiker darauf hin, dass die Weiße Zwerge vermutlich eher blauer erscheinen, wenn sie eine Temperatur von unter 4.500 Grad Celsius erreichen. 

Diese Theorie testeten die Forscher durch Beobachtungen eines kalten Weißen Zwerges und durch das systematische Durchsuchen von digitalisierten Himmelsdurchmusterungen. Sie konnten so nicht nur die Theorie bestätigen, sondern auch 38 neue Weiße Zwerge aufspüren, 34 davon hatten nur eine sehr niedrige Temperatur und dürften zwischen zehn und 13 Milliarden Jahre alt sein. Somit hat diese Entdeckung auch Auswirkungen über das Dunkelmaterie-Problem hinaus: Die Astronomen müssen nun herausfinden, wie sich diese Gruppe von Sternen kurz nach der Entstehung der Galaxie gebildet hat. Hinweise dazu könnten Beobachtungen von weit entfernten, jüngeren Galaxien liefern, in denen dieser Entstehungsprozess gerade abläuft.