Eine Illustration zeigt das sich ausdehnende Universum während der kosmischen Morgendämmerung mit seiner Kehrseite, dem dunklen Universum, das von dunklen Photonen und dunkler Materie beherrscht wird.(Bildnachweis: Robert Lea erstellt von Canva)
Die Beobachtung der Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie und so genannten „dunklen Photonen“ während einer Periode nach dem Urknall, die als „kosmische Dämmerung“ bezeichnet wird, könnte dazu beitragen, Licht in die geheimnisvollste und beunruhigendste Form der Materie im Universum zu bringen.
Die Anzahl der Teilchen der dunklen Materie übersteigt die der gewöhnlichen, alltäglichen Materie, zu der Objekte wie Sterne, Planeten, Monde, Asteroiden, kosmische Gas- und Staubwolken und alle Lebewesen gehören, um etwa fünf zu eins. Das bedeutet, dass all diese aufgelisteten Dinge – und alles andere, was wir im Universum und hier auf der Erde sehen – etwa 15 % der Materie im Kosmos ausmachen, und wir haben kaum eine Ahnung, woraus die anderen 85 % eigentlich bestehen.
Dieses Mysterium hat sich in den letzten neun Jahrzehnten hartnäckig gehalten, weil die dunkle Materie praktisch unsichtbar ist, weil sie nicht mit Lichtteilchen oder „Photonen“ interagiert, wie es die gewöhnliche Materie aus Atomen (die ihrerseits aus Elektronen, Protonen und Neutronen besteht) tut.
Wissenschaftler haben jedoch vorgeschlagen, dass Photonen auch eine dunkle Seite haben könnten. Dunkle Materie kann mit diesen so genannten „dunklen Photonen“ genauso interagieren wie normale Photonen mit Materie, die aus Atomen besteht.
Nun hat ein Team von Wissenschaftlern vorgeschlagen, dass die Wechselwirkungen zwischen dunklen Photonen und dunkler Materie in den ersten 500 Millionen Jahren nach dem Urknall, auch bekannt als kosmische Dämmerung, eine „Signatur“ im Universum hinterlassen haben könnten.
Diese Signatur, so die Theorie der Wissenschaftler, ließe sich heute nachweisen und zur Erforschung der Geheimnisse der dunklen Materie nutzen.
„Dunkle Photonen sind theoretische Teilchen, die das Konzept des Elektromagnetismus auf den ‚dunklen Sektor‘ ausweiten. Sie ähneln normalen Photonen, interagieren aber hauptsächlich mit dunkler Materie und nicht mit gewöhnlicher Materie“, erklärt Charlotte Mason, Mitglied des Teams und außerordentliche Professorin am Cosmic Dawn Center der Universität Kopenhagen, gegenüber kosmischeweiten.de. „Die Wechselwirkungen zwischen dunklen Photonen und dunkler Materie könnten Schwingungen erzeugt haben – ähnlich wie Schallwellen – die kurz nach dem Urknall aufhörten.“
Die Tatsache, dass dunkle Materie weder mit Licht noch mit gewöhnlicher Materie interagiert, könnte den Eindruck erwecken, dass es sich um eine Art kosmischen Geist handelt, der das Universum beobachtet, sich aber nicht einmischen darf, aber nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt sein.
Diese Form der Materie spielte eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der ersten Galaxien. Das bedeutet, dass diese hypothetischen Wechselwirkungen, die als „dunkle akustische Oszillationen“ bekannt sind, die geheimen Baupläne für die großräumige Entwicklung des Kosmos unter dem Einfluss der dunklen Materie enthalten könnten.
Kommen wir zur dunklen Seite… wir haben Photonen
Dunkle Materie interagiert nicht mit Licht oder gewöhnlicher Materie, aber sie interagiert mit der Schwerkraft und formt das Gefüge des Raums durch diesen Einfluss. Dies führt zu einer Verformung des Raums, die wiederum Licht und gewöhnliche Materie beeinflussen kann. In der heutigen Zeit haben Wissenschaftler aufgrund dieses Einflusses auf das Vorhandensein von dunkler Materie schließen können, doch wie Mason betont, spielte sie im frühen Universum eine noch wichtigere Rolle.
Denn man nimmt an, dass die ersten Galaxien in dieser Zeit innerhalb eines „Gerüsts“ aus dunkler Materie entstanden sind.
„Die kosmische Morgendämmerung ist der Zeitpunkt, an dem sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten, und damit ein perfekter Zeitpunkt, um zu untersuchen, wie die dunkle Materie die Galaxienbildung beeinflusst“, erklärt Mason. „Die Art und Weise, wie sich Galaxien bildeten, wann sie sich bildeten und wie schnell sie sich bildeten, war sehr empfindlich gegenüber der kleinräumigen Verteilung der dunklen Materie. Dies macht Cosmic Dawn zu einem idealen „Labor“, um zu testen, wie sich die dunkle Materie verhält, und um möglicherweise mehr über ihre Eigenschaften zu erfahren.
„Die kosmische Morgendämmerung war ein fehlendes Kapitel in unserem Verständnis des Universums.“
Mason fügte hinzu, dass die Wissenschaftler dank neuer Technologien wie dem James Webb Space Telescope (JWST) und Radioteleskopen wie dem Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA), dem Low-Frequency Array (LOFAR) und dem Square Kilometer Array (SKA) endlich damit beginnen, diesen Abschnitt der kosmischen Geschichte zu erforschen. Das ist ein Glücksfall, denn die kosmische Morgendämmerung bietet einen einzigartigen Einblick in die dunkle Materie auf kleinen Skalen, die im modernen Universum verloren gegangen ist.
„In diesem frühen Stadium waren die störenden Effekte von Galaxien – wie Supernova-Explosionen und das Wegblasen von Gas – im Vergleich zu später in der Geschichte des Universums weniger bedeutend“, so Mason.
Eine Illustration, die die Ausdehnung des Universums veranschaulicht; links ist ein helles Licht zu sehen, das den Urknall anzeigt. Rechts erstreckt sich eine kegelförmige Karte von Galaxien, die im Durchmesser zunimmt (Bildnachweis: NASA)
Wenn dunkle Photonen in der kosmischen Morgendämmerung existierten, könnten ihre Wechselwirkungen mit dunkler Materie Spuren bei der Entstehung von Galaxien hinterlassen haben.
„Die dunklen akustischen Schwingungen fügten den nach dem Urknall entstandenen Dichtefluktuationen kleine Wellen hinzu. Dies hätte die Galaxienbildung beeinflusst, indem es Regionen mit höherer und niedrigerer Dichte geschaffen hätte, die sich über die ursprünglichen Fluktuationen des Urknalls gelegt hätten“, so Mason weiter. „Galaxien hätten sich in dichten Gebieten schneller und in weniger dichten Gebieten langsamer gebildet.“
Wenn wir herausfinden können, wie wir sie lesen können. Diese Suche muss über große Entfernungen und somit in weiter zurückliegender Zeit erfolgen.
„Im Laufe der Zeit, als die Schwerkraft diese Fluktuationen verursachte, werden die subtilen Auswirkungen der dunklen akustischen Oszillationen voraussichtlich geglättet, so dass sie heute nicht mehr so leicht zu entdecken sind“, erklärt Mason.
Die Ergebnisse des Teams deuten darauf hin, dass unter bestimmten Kriterien ein in Betrieb befindliches Radioteleskop trotz der Subtilität dieser Signale empfindlich genug sein könnte, um sie oder – was ebenso wichtig ist – ihr Fehlen in naher Zukunft zu entdecken.
„Wir haben herausgefunden, dass wir in der Lage sein sollten, mit HERA in den kommenden Jahren Schwingungen der dunklen Materie auf bestimmten Skalen nachzuweisen (oder auszuschließen), selbst wenn wir die komplexe Physik der Galaxienbildung berücksichtigen“, so Mason. „Das ist eine sehr aufregende Aussicht!“
„Die Radiobeobachtungen von HERA sind noch nicht abgeschlossen, so dass wir sehr gespannt darauf sein werden, diese Modelle in der abschließenden Datenanalyse zu testen“, so Mason abschließend. „Da die dunkle Materie eines der größten Rätsel der Physik ist, wären alle neuen Erkenntnisse, die wir über ihre Natur gewinnen, äußerst wertvoll.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden Ende 2024 in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht.
