Nichts zu sehen? Warum genau das die Dunkle Materie verraten könnte
Spurensuche im All: Besteht Dunkle Materie aus zwei Teilchen? Forschende liefern eine neue Erklärung für rätselhafte Gammastrahlen in der Milchstraße.
Gammastrahlen fehlen in Zwerggalaxien. Eine neue Theorie zeigt, warum genau das ein Hinweis auf Dunkle Materie sein könnte.
Foto: picture alliance / Stocktrek Images | Reinhold Wittich
Die Suche nach der Dunklen Materie gleicht einer Ermittlung ohne Tatwaffe und ohne Fingerabdrücke. Wir wissen, dass sie da ist. Sie macht etwa 85% der gesamten Materie im Universum aus. Ohne ihre Schwerkraft würden Galaxien schlicht auseinanderfliegen. Doch direkt gesehen oder gemessen hat sie bisher niemand.
Eine neue Studie im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) stellt nun eine These auf, die unsere bisherige Suchstrategie auf den Kopf stellt: Das Fehlen eines Signals an bestimmten Orten im All widerlegt die Existenz der Dunklen Materie nicht – es könnte sogar ihr wichtigstes Merkmal sein.
Inhaltsverzeichnis
Das Rätsel der Gammastrahlung im Zentrum der Milchstraße
Seit Jahren beobachten Astronominnen und Astronomen mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop ein seltsames Phänomen. Aus dem Herzen unserer Milchstraße dringt ein unerwarteter Überschuss an hochenergetischen Photonen. Diese Gammastrahlung verteilt sich fast kugelförmig um das galaktische Zentrum.
In der Fachwelt wird dieser Überschuss heiß diskutiert. Eine populäre Theorie besagt, dass Teilchen der Dunklen Materie aufeinandertreffen und sich gegenseitig vernichten. Bei dieser sogenannten Annihilation wird Energie frei – eben jene Gammastrahlung, die wir messen.
Doch es gibt ein Problem. „Wenn bestimmte Theorien zur Dunklen Materie zutreffen, sollten wir sie in jeder Galaxie sehen, zum Beispiel in jeder Zwerggalaxie“, erklärt Gordan Krnjaic, theoretischer Physiker am Fermilab. Das Problem ist nur: In den Zwerggalaxien messen wir nichts.
Warum Zwerggalaxien eigentlich die perfekten Labore sind
Zwerggalaxien sind für die Astrophysik extrem wertvoll. Sie sind klein, leuchten schwach und enthalten kaum herkömmliche Sterne oder Gas. Dafür ist ihr Anteil an Dunkler Materie massiv. Da dort kaum „astrophysikalischer Lärm“ herrscht, müssten Signale der Dunklen Materie dort besonders sauber und deutlich zu erkennen sein.
Bisher gingen die Standardmodelle von zwei Szenarien aus:
- Konstante Vernichtung: Die Teilchen vernichten sich immer mit der gleichen Wahrscheinlichkeit. Dann müssten wir in Zwerggalaxien zwingend ein Signal sehen, wenn das Signal in der Milchstraße echt ist.
- Geschwindigkeitsabhängigkeit: Die Teilchen vernichten sich nur bei bestimmten Geschwindigkeiten. Da sich Teilchen in Galaxien sehr langsam bewegen, wäre eine Vernichtung extrem selten. Das Signal bliebe überall unsichtbar.
Da wir in der Milchstraße etwas sehen, in den Zwerggalaxien aber nicht, schien die Theorie der Dunklen Materie als Quelle der Gammastrahlung ins Wanken zu geraten. Viele Fachleute vermuteten eher herkömmliche Quellen wie Pulsare als Ursache.
Die Zwei-Teilchen-Hypothese: Eine Frage des Mischverhältnisses
Hier setzt die Arbeit von Krnjaic und seinem Team an. Sie schlagen ein komplexeres Modell vor. Die zentrale Idee: Dunkle Materie besteht nicht nur aus einer einzigen Teilchenart, sondern aus zwei verschiedenen Komponenten.
„Dunkle Materie könnte schlichtweg aus zwei verschiedenen Teilchen bestehen, und diese beiden Teilchen müssen einander finden, um zu vernichten“, so Krnjaic. Das bedeutet, dass eine Gammastrahlung nur dort entsteht, wo beide Partner in ausreichender Menge vorhanden sind.
- In der Milchstraße: Hier könnten beide Teilchenarten in einem ausgewogenen Verhältnis vorkommen. Sie finden sich oft, vernichten sich und senden Gammastrahlen aus.
- In Zwerggalaxien: Hier könnte das Verhältnis extrem ungleichgewichtig sein. Wenn ein Teilchentyp dominiert und der Partner fehlt, findet keine Vernichtung statt.
Das Ergebnis: Trotz einer hohen Dichte an Dunkler Materie bleibt die Gammastrahlung aus. Das Fehlen des Signals wäre in diesem Fall kein Beweis gegen Dunkle Materie, sondern ein Hinweis auf deren komplexe Zusammensetzung.
Blick in die Zukunft: Mehr Daten notwendig
Dieses neue Modell ist flexibler als die bisherigen Ansätze. Es erlaubt der Forschung, den Gammastrahlen-Überschuss im galaktischen Zentrum weiterhin als potenzielles Signal der Dunklen Materie zu betrachten, ohne von den Ergebnissen aus den Zwerggalaxien direkt widerlegt zu werden.
„Auf diese Weise erhält man sehr unterschiedliche Vorhersagen für die Emission“, erläutert Krnjaic. Ob diese Theorie stimmt, müssen künftige Beobachtungen zeigen. Das Fermi-Teleskop sammelt weiterhin Daten. Forschende hoffen, durch präzisere Messungen in Zwerggalaxien herauszufinden, ob dort vielleicht doch ganz schwache Signale existieren oder ob die ungleiche Verteilung der Teilchen die plausibelste Erklärung bleibt.
Am Ende könnte sich zeigen, dass die Dunkle Materie ein ganzes „Ökosystem“ aus Teilchen bildet, statt nur ein einsamer Baustein im Kosmos zu sein.
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