Astronomen zijn er steeds meer van overtuigd dat het vroege heelal mogelijk werd bevolkt door een soort ster die we vandaag de dag niet meer zien: donkere sterren, massieve hemellichamen die niet worden aangedreven door kernfusie, maar door de vernietiging van donkere materie. Recente waarnemingen met de James Webb Space Telescope (JWST) bieden verleidelijk, maar nog niet sluitend, bewijs voor deze theoretische structuren, waarmee mogelijk verschillende al lang bestaande kosmologische puzzels kunnen worden opgelost.
De opkomst van donkere materiesterren
Normale sterren ontbranden wanneer de zwaartekracht gas comprimeert totdat kernfusie in de kern begint. Donkere sterren kunnen zich echter hebben gevormd in de dichte omstandigheden van het vroege heelal, waar de donkere materie meer geconcentreerd was. Als zich voldoende donkere materie had opgehoopt in een instortende wolk, zouden de deeltjes met elkaar in botsing zijn gekomen en elkaar hebben vernietigd, waardoor energie vrijkwam die verdere instorting verhinderde en de ster van energie voorzag.
Dit proces is niet alleen hypothetisch; Onderzoekers onder leiding van Katherine Freese van de Universiteit van Texas in Austin hebben de levenscyclus van deze sterren gemodelleerd, inclusief hun uiteindelijke lot. In tegenstelling tot conventionele sterren die brandstof verbranden en in zwarte gaten instorten na uitputtende kernreacties, kunnen donkere sterren zichzelf theoretisch voor onbepaalde tijd in stand houden zolang donkere materie zich blijft ophopen en vernietigen.
Het superzware zwarte gatenprobleem
Het bestaan van donkere sterren zou de aanwezigheid van superzware zwarte gaten in het vroege heelal helpen verklaren. Deze massieve objecten verschenen veel te snel na de oerknal om uitsluitend te zijn ontstaan door de ineenstorting van kleinere sterren. Donkere sterren hadden echter enorme afmetingen kunnen bereiken – tussen de 1000 en 10 miljoen keer de massa van onze zon – voordat ze instortten in de superzware zwarte gaten die astronomen waarnemen.
Zoals Freese uitlegt: “Als je met grotere zaden begint, maakt dat echt een verschil.” Zonder zulke enorme voorlopers blijft de snelle vorming van deze zwarte gaten een mysterie.
JWST-waarnemingen en onverwachte objecten
De JWST heeft ook twee ongebruikelijke soorten verre objecten gedetecteerd: “kleine rode stippen” en “blauwe monsters.” Net als superzware zwarte gaten is hun bestaan in zulke vroege kosmische tijden moeilijk te verklaren via conventionele vormingsmechanismen. Het team van Freese suggereert dat dit in werkelijkheid individuele, extreem massieve donkere sterren kunnen zijn.
Cruciaal is dat donkere sterren een unieke vingerafdruk achterlaten in hun lichtspectrum: een specifieke golflengte die wordt geabsorbeerd door de energie die vrijkomt bij de vernietiging van donkere materie. Eerste JWST-waarnemingen hebben op deze signatuur in verschillende verre objecten gezinspeeld, maar de gegevens zijn momenteel niet doorslaggevend.
Het pad voorwaarts
Momenteel is het bewijs voor donkere sterren indirect. Hoewel observaties van JWST veelbelovend zijn, zijn verdere gegevens met hoge resolutie nodig om hun bestaan te bevestigen. Als ze worden bevestigd, zouden deze structuren niet alleen kosmologische mysteries oplossen, maar ook een nieuw venster bieden op de aard van donkere materie zelf.
Concreet zou de massa waarbij donkere sterren in zwarte gaten instorten afhangen van de eigenschappen van de donkere materiedeeltjes die hun vernietiging aandrijven. Dit zou wetenschappers in staat kunnen stellen de massa van donkere materie te meten of te beperken, een van de belangrijkste onopgeloste problemen in de natuurkunde.
Zoals Dan Hooper van de Universiteit van Wisconsin-Madison het verwoordt: “Dit is geen diepgaand, ondubbelzinnig rokend wapen, maar het is iets heel goed gemotiveerd waar ze naar op zoek zijn.” De zoektocht naar donkere sterren is zeldzaam, maar de ontdekking zou buitengewoon zijn.
