Rätsel des Universums

Was macht ein Klumpen Dunkler Materie in der Milchstraße?

Das Objekt ist unsichtbar, riesig groß und wiegt mehr als 10 Millionen Sonnen: ein gigantischer Klumpen Dunkler Materie, der bislang viele Rätsel aufgibt. Doch Astronomen haben eine Vermutung, was hinter dem kosmischen Phantom stecken könnte.

Von Rainer Kayser (dpa)/Markus Brauer



Etwa 2600 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt – astronomisch gesehen ein Katzensprung – lauert ein unsichtbares Objekt mit mehr als der zehnmillionenfachen Masse unserer Sonne. Das zeigen hochpräzise Messungen der Umlaufbahnen und der Rotationsperioden von 53 Pulsaren durch ein Forschungsteam aus den USA.

Subhalo in der Milchstraße

Mit großer Wahrscheinlichkeit handele es sich dabei um einen sogenannten Subhalo, eine Verdichtung der Dunklen Materie, schreiben die Wissenschaftler im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Pulsare sind Neutronensterne -also extrem dichte Überreste explodierter Sterne –, die sehr schnell rotieren und ein starkes Magnetfeld besitzen. Entlang der Nord-Süd-Achse seines Magnetfelds sendet ein solcher Neutronenstern stark gebündelt elektromagnetische Strahlung aus – Radiowellen, Licht oder sogar Röntgenstrahlung.

Unsichtbares Schwergewicht im Weltall

Da die Achse des Magnetfelds zumeist gegen die Rotationsachse gekippt ist, streicht dieser gebündelte Strahl ähnlich dem Kegel eines Leuchtturms durchs Weltall. Trifft der Kegel bei seiner Rotation auf die Erde, so empfangen Astronomen regelmäßig eintreffende Strahlungspulse von dem Neutronenstern – daher die Bezeichnung Pulsare.

Schon vor fast 100 Jahren stießen Astronomen darauf, dass sich Galaxien viel zu schnell bewegen, um von ihrer Schwerkraft zusammengehalten zu werden. Es muss also zusätzlich zur in Sternen und Gaswolken sichtbaren Materie eine weitere, unsichtbare Form der Materie geben – und zwar sehr viel davon.

Gut 80 Prozent der Masse bestehen, so wissen wir heute, aus dieser Dunklen Materie. Diese rätselhafte Substanz besteht vermutlich aus bislang unbekannten Elementarteilchen. Mit zahlreichen Detektoren fahnden Physiker nach diesen mysteriösen Teilchen, doch bislang ohne Erfolg.

Dunkle Materie und Energie – verborgene Kräfte im Universum

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.

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.

Halo aus Dunkler Materie

Die Dunkle Materie spielt auch eine entscheidende Rolle bei der Entstehung von Strukturen – Galaxienhaufen und Galaxien – im Kosmos. Nach dem Urknall bildeten sich, so das Standardmodell der Physik, zunächst Verdichtungen unterschiedlicher Größe in der Dunklen Materie.

Durch die Anziehungskraft sammelte sich in diesen Verdichtungen auch die normale Materie und erste Galaxien entstanden. Auch unsere Milchstraße ist in einen großen Halo aus Dunkler Materie eingebettet. Dieser galaktische Außenbereich besteht aus weit verstreuten, älteren Sternen und Kugelsternhaufen, welche die Galaxie langsam umkreisen. Der Halo beinhaltet 1 Prozent der sichtbaren Materie, aber 95 Prozent der Dunklen Materie.

Verdichtungen der Dunklen Materie

Computersimulationen der kosmischen Entwicklung zeigen allerdings, dass auch viele kleinere Verdichtungen der Dunklen Materie – von den Astronomen Subhalos (kompakte Ansammlung von Dunkler Materie innerhalb eines größeren Halos, beispielsweise der Milchstraße) genannt – bis heute überleben können. Tatsächlich zeigen Beobachtungen mit großen Teleskopen in einer Reihe von Galaxien Subhalos mit bis zu einer Milliarde Sonnenmassen.

„Subhalos in der Milchstraße nachzuweisen ist eine große Herausforderung und bislang gab es keine definitive Entdeckung“, schreiben Sukanya Chakrabarti von der University of Alabama und ihre Kollegen. Das Team präsentiert jetzt ein neues Verfahren, um solche Verdichtungen der Dunklen Materie mithilfe von Pulsaren aufzuspüren.

Anziehungskraft von Subhalos auf nahe Himmelskörper

Wie Chakrabarti und ihre Kollegen erläutern, kann ein Subhalo aus Dunkler Materie die Bewegung von Pulsaren in ihrer Umgebung messbar beeinflussen. Ähnlich wie der Mond Gezeitenkräfte auf die Erde ausübt und so nicht nur Ebbe und Flut erzeugt, sondern langfristig auch die Erdrotation bremst, wirkt auch ein massereicher Subhalo mit seiner Anziehungskraft auf nahe Himmelskörper.

Die Gezeitenkräfte verändern dadurch geringfügig die Rotation und die Umlaufbahnen von Pulsaren. Dank der regelmäßigen Radiopulse lassen sich solche Änderungen mit hoher Genauigkeit messen.

Die Forscher analysierten die Daten von 53 Pulsaren, für die hochgenaue Messungen vorliegen. In den Veränderungen von Rotation und Umlaufbahnen zeigt sich ein deutlicher Trend, der auf ein Objekt mit bis zu 25 Millionen Sonnenmassen in einer Entfernung von etwa 2600 Lichtjahren hinweist.

Wie das Team zeigt, gibt es keinerlei Hinweis auf dichte Gaswolken oder eine Ansammlung von Sternen in dieser Region. Damit komme nach Ansicht des Teams nur eine Verdichtung der Dunklen Materie als Erklärung infrage.