Rätsel des Kosmos

Gibt es im Universum zwei Formen von Dunkler Materie?

Einem neuen astrophysikalischen Modell zufolge könnte Dunkle Materie in zwei Varianten vorkommen. Der größte Teil dieser exotischen Materieform befindet sich demnach im energieärmeren Grundzustand.

Von Markus Brauer

Die Dunkle Materie gehört zu den größten Rätseln der modernen Physik. Sie ist nicht sichtbar und wurde noch nie direkt beobachtet. Allerdings wissen die Forscher, dass sie da ist. Denn sie macht sich über ihre Schwerkraft bemerkbar. Ohne die zusätzliche Schwerkraft der Dunklen Materie würden beispielsweise viele Galaxien durch die Fliehkraft auseinander gerissen werden, da sie sich viel zu schnell drehen.

Dunkle Materie – eines der größten Rätsel der Physik

Einen extrem großen Anteil am Universum haben zwei Phänomene, über die man bislang so gut wie nichts weiß: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Alle Sterne in unserer Galaxie, der Milchstraße, zusammengenommen machen nur nur etwa 15 Prozent der (sichtbaren) Masse aus. Der Rest – rund 85 Prozent – ist Dunkle Materie.

Im Universum, erklärt der französische Astrophysiker David Elba, gibt es mehr Schwerkraft, als auf Grundlage der sichtbaren Teile angenommen würde. „Die Sonne dreht sich mit einer so hohen Geschwindigkeit um das Zentrum der Milchstraße, dass sie aus der Galaxie ausbrechen sollte. Wenn sie nicht ausbricht, heißt das, dass sie von einer anderen Masse, die wir nicht sehen, angezogen wird.“

Das sei die dunkle Materie. Dunkle Energie hingegen beschreibe eine Art Anti-Schwerkraft, durch die Galaxien sich abzustoßen scheinen.

Wie entstand die Dunkle Materie?

Bislang ist die Astrophysik von folgender Theorie ausgegangen: Die sichtbare Materie – also Sterne und Galaxien, Planeten, Monde und Asteroiden – macht nur einen Bruchteil des Universums aus. Rund ein Viertel besteht aus Dunkler Materie, einer unsichtbaren Masse, die sich allein durch ihre Gravitationskraft bemerkbar macht. Der Rest ist Dunkle Energie, eine Art Antischwerkraft, durch die sich das Universum weiter ausdehnt.

Was geschah nach dem Urknall?

Nach dem Urknall kühlte sich die Materie im Universum ab. Die Gravitation zog dichtere Bereiche zusammen, die verklumpten. So entstanden etwa Galaxienhaufen. Die Materie ist demnach im Universum nicht gleichmäßig verteilt. Allerdings ist sie auch nicht so klumpig, wie Forscher bisher angenommen haben.

Den Anfang machten winzige Unregelmäßigkeiten in der kosmischen Ursuppe – jenem dichten, heißen Gemenge aus Strahlung, Gasen und Dunkler Materie kurz nach dem Urknall. Diese Dichte-Fluktuationen verstärkten sich im Laufe der kosmischen Entwicklung.

Dichtere Stellen wurden noch dichter und bildeten schließlich Galaxien, Galaxienhaufen und gigantische Superhaufen – sogenannte Supercluster. Dünnere Stellen dünnten noch weiter aus und wurden zu sternenarmen Leer- und Hohlräumen, sogenannten Voids. So lautet die gängige kosmologische Theorie. Zwar können Astronomen die Verteilung der Dunklen Materie kartieren, aber woraus sie besteht und wie sie entstand, ist bis dato unbekannt.

Woraus besteht Dunkle Materie?

Dunkle Materie macht etwa 23 Prozent des Universums aus. Astrophysikalische Beobachtungen bestätigen, dass Dunkle Materie das gesamte Universum durchdringt und Galaxien sowie die größten bekannten Strukturen im Kosmos bildet.

Allerdings weiß man nicht, aus welchen Teilchen sie genau besteht. Eine Vielzahl an Theorien und Experimenten suchen nach einer Antwort auf diese Frage. Einem neuen physikalischen Grundlagenmodell zufolge könnte Dunkle Materie in zwei Varianten vorkommen:

Der größte Teil dieser exotischen Materieform befindet sich demnach im energieärmeren Grundzustand.

Nur in dynamischen, dichten Umgebungen wie dem Milchstraßenzentrum kommt eine zweite angeregte Form der Dunkle-Materie-Teilchen vor. Diese Theorie könnte erklären, warum die gegenseitige Auslöschung dieser Teilchen nicht überall vorkommt.

Was hat es mit dem „Gammaglühen“ in Galaxien-Zentren auf sich?

Neben der Schwerkraft könnte ein weiteres Indiz für die Dunkle Materie die sogenannte Annihilation (Zunichtemachen) sein. Der Theorie nach löschen sich Dunkle-Materie-Teilchen gegenseitig aus, wenn sie kollidieren, und setzen dabei energiereiche Gammastrahlung frei.

Tatsächlich haben Astronomen einen Überschuss an Gammastrahlung im Zentrum der Milchstraße nachgewiesen, wo Modellen zufolge viel Dunkle Materie existieren müsste. Allerdings ist strittig, ob dieses Gammaglühen nicht von anderen Quellen stammt, beispielsweise von den zahlreichen Pulsaren im Galaxienzentrum.

Warum verhalten sich Zwerggalaxien anders?

Wenn das Gammaglühen der Milchstraße tatsächlich von der Annihilation – also der Zerstörung – Dunkler Materie stammt, dann müsste sich Ähnliches auch in anderen Galaxien nachweisen lassen. Astronomen haben dabei vor allem Zwerggalaxien im Blick, weil sie kaum andere potenzielle Gammastrahlenquellen enthalten.

„Sie bieten daher eine vergleichsweise störungsfreie Umgebung, um die Annihilation der Dunklen Materie zu beobachten“, schreiben Asher Berlin vom Fermi National Accelerator Laboratory in der Gemiende Batavia bei Chicago in den USA und seine Kollegen im Fachjournal „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics“.

Warum fehlt das Signal in Zwerggalaxien?

Doch bisher haben Astronomen keinen Überschuss an Gammastrahlungs in Zwerggalaxien nachweisen können. Eine mögliche Erklärung dafür wäre, dass in diesen massearmen Galaxien weniger Kollisionen Dunkler-Materie-Teilchen stattfinden.

„Die Abwesenheit eines solchen Signals wurde bereits genutzt, um die Werte für die Annihilationswahrscheinlichkeit der Dunklen Materie einzugrenzen“, erklären Berlin und sein Team. Die aktuellen Gamma-Teleskope könnten nicht sensitiv genug sein, um dieses schwache Signal einzufangen.

Denkbar wäre aber auch, dass Dunkle Materie sich nur unter bestimmten Bedingungen gegenseitig auslöscht. Beispielsweise wenn die Teilchen mit hoher Energie aufeinanderstoßen.

Warum sollen zwei Zustände der Dunkle-Materie-Teilchen existieren?

Berlin und sein Team haben nun eine neue Theorie entwickelt. Demnach existiert die Dunkle Materie im Kosmos in zwei Varianten. „Die Dunkle Materie könnte in Form von zwei verschiedenen Teilchen vorliegen und nur wenn sich beide treffen, kommt es zu einer Auslöschung“, konstatiert Gordon Krnjaic vom Fermilab und der University of Chicago.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich die meisten Dunkle-Materie-Teilchen in einem energieärmeren Grundzustand befinden. Werden sie jedoch durch Energiezufuhr beschleunigt und angeregt, nehmen die Teilchen den etwas schwereren Zustand an.

„Diese Anregungsreaktion ist abhängig von der kinetischen Verteilung in einem astrophysikalischen System“, schreiben die Forscher. In dynamischen, massereichen Umgebungen wie dem Zentrum der Milchstraße werden mehr Dunkle-Materie-Teilchen angeregt als in weniger dichten und masseärmeren Zwerggalaxien.

Warum braucht es beide Dunkle-Materie-Varianten?

Eine Annihilation findet dieser Theorie zufolge nur dann statt, wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen im Grundzustand und ein angeregtes Materie-Teilchen aufeinandertreffen. „Ohne eine signifikante Population von schwerern Teilchen entsteht in Zwerggalaxien daher nur wenig Gammastrahlung“, erklären die OPhysiker. Dieses Modell könnte damit erklären, warum Teleskope bisher kein Annihilations-Signal in Zwerggalaxien entdeckt haben.

„Wir präsentieren damit ein Modell der Dunklen Materie, in dem die Korrelation zwischen der Gammastrahlung aus dem Milchstraßenzentrum und aus Zwerggalaxien gebrochen ist“, schreiben die Astrophysiker.

Die Existenz zweier Teilchenzustände der Dunklen Materie könnte damit aktuelle Beobachtungen erklären – und möglicherweise auch andere im Kosmos beobachtete Widersprüche in Bezug auf die Dunkle Materie.

Grundkräfte des Universums

Dunkle Materie Die Dunkle Materie gehört zu den größten Rätseln der modernen Physik. Sie ist nicht sichtbar und wurde noch nie direkt beobachtet. Allerdings wissen die Forscher, dass sie da ist. Denn sie macht sich über ihre Schwerkraft bemerkbar. Ohne die zusätzliche Schwerkraft der Dunklen Materie würden beispielsweise viele Galaxien durch die Fliehkraft auseinander gerissen werden, da sie sich viel zu schnell drehen.

Dunkle Materie und Energie Einen extrem großen Anteil am Universum haben zwei Phänomene, über die man bislang so gut wie nichts weiß: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Alle Sterne in unserer Galaxie, der Milchstraße, zusammengenommen machen nur etwa 15 Prozent der (sichtbaren) Masse aus. Der Rest – rund 85 Prozent – ist Dunkle Materie.

Nach dem Urknall Die Dunkle Materie hat die Entwicklung und Struktur unseres Universums entscheidend geprägt. Nach dem Urknall bestimmte ihre Verteilung, wo im Kosmos die ersten Sterne und Galaxien entstanden. Der Schwerkrafteinfluss dieser unsichtbaren Materieform schuf das Grundgerüst für alle großräumigen Strukturen im Universum – von riesigen Galaxienhaufen und Filamenten des kosmischen Netzwerks bis zur Form und Bewegung der kleinsten Galaxien.