Woher kommt Dunkle Materie? Mainzer Studie liefert neuen Ansatz
Dunkle Materie könnte aus Gravitationswellen stammen. Forschende liefern einen neuen Ansatz und stellen bestehende Modelle infrage.
Gravitationswellen könnten im frühen Universum Teilchen erzeugt haben. Eine neue Theorie liefert einen Ansatz für Dunkle Materie.
Foto: Smarterpix / MP_foto71
Die Zusammensetzung unseres Universums bleibt eines der größten Rätsel der modernen Wissenschaft. Alles, was wir sehen – Planeten, ferne Sonnen und wir selbst –, macht lediglich etwa 4 % des Kosmos aus. Der gewaltige Rest entzieht sich unserer direkten Beobachtung. Etwa 23 % entfallen dabei auf die sogenannte Dunkle Materie. Sie hält Galaxien zusammen und formt die großräumigen Strukturen im All, doch ihre Natur ist völlig unklar.
Nun präsentiert ein Team um Professor Joachim Kopp von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und Dr. Azadeh Maleknejad von der Swansea University einen neuen Mechanismus innerhalb bestehender Modelle. In ihrer im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit beschreiben sie, wie Gravitationswellen im frühen Universum die Entstehung Dunkler Materie angestoßen haben könnten.
Wenn die Raumzeit Teilchen formt
Gravitationswellen sind winzige Verzerrungen der Raumzeit. Sie entstehen etwa, wenn Schwarze Löcher kollidieren. Die aktuelle Studie richtet den Blick jedoch auf sogenannte stochastische Gravitationswellen. Gemeint ist ein schwaches Hintergrundrauschen der Raumzeit, das überall vorhanden ist.
Dieses Signal stammt aus der extrem frühen Phase des Universums. Es entstand beispielsweise bei Phasenübergängen, als sich der junge Kosmos nach dem Urknall abkühlte, oder durch urzeitliche Magnetfelder. Die Forschenden gehen dabei einen Schritt weiter: Diese Wellen könnten selbst Teilchen erzeugt haben.
„In diesem Artikel untersuchen wir die Möglichkeit, dass Gravitationswellen – von denen angenommen wird, dass sie im frühen Universum allgegenwärtig waren – teilweise in Teilchen der Dunklen Materie umgewandelt wurden“, erklärt Joachim Kopp. Er ergänzt: „Dies führt zu einem neuen Mechanismus der Dunkle-Materie-Entstehung, der bisher noch nicht erforscht wurde“.
Der Mechanismus: Freeze-In durch Wellen
Bisherige Theorien zur rein gravitativen Erzeugung von Dunkler Materie hatten ein Problem: Sie funktionierten oft nur bei extrem massereichen Feldern oder unvorstellbar hohen Temperaturen im frühen Plasma. Die neue Arbeit zeigt jedoch, dass die minimalen Kopplungen masseloser Teilchen an die Gravitation allein nicht ausreichen, um sie durch die bloße Ausdehnung des Universums zu produzieren.
Der entscheidende Punkt: Die Expansion des Universums allein erzeugt keine solchen Teilchen. Erst die Störungen durch Gravitationswellen brechen diese Einschränkung und machen die Produktion möglich.
Genau hier kommen die stochastischen Gravitationswellen ins Spiel. Diese Verzerrungen der Raumzeit brechen eine bestimmte Symmetrie – die sogenannte konforme Symmetrie – und öffnen damit den Weg zur Teilchenproduktion.
Der vorgeschlagene Mechanismus läuft im Kern so ab:
- Urzeitliche Wellen: Stochastische Gravitationswellen durchziehen das frühe Universum.
- Teilchenbildung: Die Energie dieser Wellen führt zur Entstehung von masselosen oder nahezu masselosen Fermionen. Dazu zählen fundamentale Elementarteilchen wie Elektronen.
- Massegewinn: Diese zunächst masselosen Teilchen erhalten im weiteren Verlauf Masse.
- Dunkle Materie: Aus ihnen entsteht die Dunkle Materie, die sich heute nur indirekt nachweisen lässt.
Dieser als „Freeze-In“ bezeichnete Prozess könnte laut den Berechnungen sogar effizienter sein als klassische Modelle, bei denen extrem schwere Teilchen rein gravitativ erzeugt werden.
Ein neuer Blick auf die Teilchenphysik
Der Clou des Ansatzes: Er kommt ohne zusätzliche exotische Annahmen aus. Wenn das frühe Universum ohnehin von Gravitationswellen durchzogen war, ergibt sich daraus ein natürlicher Mechanismus zur Erzeugung Dunkler Materie.
Bisher basiert das Modell allerdings vor allem auf analytischen Abschätzungen. „Der nächste Schritt bei der Weiterentwicklung dieser Forschungsrichtung besteht darin, über unsere analytischen Schätzungen hinauszugehen und numerische Berechnungen durchzuführen, um die Genauigkeit unserer Vorhersagen zu verbessern“, so Kopp über die kommenden Aufgaben.
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