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Eine Illustration einer massiven Wolke aus dunkler Materie, in der Axionen aufflackern und Infrarotlicht freisetzen (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Auf der Suche nach dunkler Materie, dem häufigsten und zugleich geheimnisvollsten „Stoff“ des Universums, sind die Wissenschaftler verständlicherweise bestrebt, das leistungsstärkste Weltraumteleskop ins Spiel zu bringen.

kosmischeweiten.de sprach mit drei Wissenschaftlern, kosmischen Detektiven, die mit dem James Webb Space Telescope (JWST) auf der Suche nach Kandidaten für dunkle Materie sind.

Die Frage ist, wie das JWST trotz seines unglaublich empfindlichen Infrarot-Auges nach etwas suchen kann, das selbst in allen Wellenlängen des Lichts praktisch unsichtbar ist.

Wenn die dunkle Materie aus hypothetischen Teilchen besteht, die Axionen genannt werden, dann besteht die Möglichkeit, dass diese Teilchen „zerfallen“ und in andere Teilchen zerfallen. Dieser Prozess könnte Photonen freisetzen, die Teilchen, aus denen das Licht besteht und die das JWST dann nachweisen könnte.

„Eine erfolgreiche Entdeckung dieses Lichts wäre bahnbrechend – wirklich die Entdeckung des Jahrhunderts“, sagt die theoretische Astroteilchenphysikerin Elena Pinetti gegenüber kosmischeweiten.de. „Die Entdeckung der dunklen Materie würde ein völlig neues Kapitel in unserem Verständnis des Universums aufschlagen.

„Es ist ein bisschen wie kosmische Detektivarbeit, die uns hilft, das Rauschen des Universums zu durchforsten, um etwas wirklich Außergewöhnliches zu entdecken.“

Das Problem mit der dunklen Materie

Dunkle Materie ist der Name, den Wissenschaftler der geheimnisvollen Substanz gegeben haben, die etwa 85 % des gesamten Materiegehalts des Universums ausmacht.

Das bedeutet, dass all die Dinge, die wir tagtäglich um uns herum sehen, von den massivsten Sternen bis hin zu den kleinsten Bakterien und darüber hinaus, nur 15 % des „Materials“ im Kosmos ausmachen.

Doch trotz ihrer Allgegenwart ist die dunkle Materie frustrierend schwer fassbar, denn was auch immer sie ausmacht, sie interagiert nicht mit Licht oder „gewöhnlicher Materie“. Entweder das oder die dunkle Materie interagiert so schwach und so selten, dass sie praktisch unsichtbar ist.

Bislang konnten Astronomen das Vorhandensein dunkler Materie nur aus ihrer Wechselwirkung mit der Schwerkraft und der Art und Weise, wie diese das Licht und die sichtbare „alltägliche“ Materie beeinflusst, ableiten.

Die dunkle Materie macht etwa 85 % des materiellen Universums aus, aber wir wissen nicht, woraus sie besteht. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Die Tatsache, dass dunkle Materie, wenn überhaupt, nur sehr schwach mit Licht interagiert, bedeutet, dass sie nicht aus den Teilchen bestehen kann, aus denen Atome bestehen – Elektronen, Protonen und Neutronen. Das liegt daran, dass diese Teilchen, die als Bausteine für alles dienen, was wir um uns herum sehen, stark mit dem Licht wechselwirken.

Dies hat Wissenschaftler dazu veranlasst, nach potenziellen Teilchen der dunklen Materie zu suchen, die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgehen, dem Rahmen, der derzeit alles erklärt, was wir über Teilchen und Kräfte wissen.

Der Hauptverdächtige für die Teilchen der dunklen Materie sind derzeit Axionen, die bisher eine frustrierende Hypothese geblieben sind.

Eine Illustration der dunklen Materie des Axions, wie sie zerfällt. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))

Axionen sind instabile Teilchen, d. h. sie können sich spontan in andere Teilchen verwandeln oder in diese zerfallen. Das ist sehr ähnlich wie bei Neutronen, die innerhalb von 15 Minuten in Protonen zerfallen, wenn sie nicht in einem Atomkern gebunden sind“, sagt Christopher Dessert, Flatiron Research Fellow am Center for Computational Astrophysics, gegenüber kosmischeweiten.de.

„Axionen zerfallen in zwei Photonen (die Teilchen, aus denen das Licht besteht), und jedes dieser Photonen hat aufgrund von Einsteins Materie/Energie-Beziehung E=mc eine Energie, die der Hälfte der Masse des Axions entspricht

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“, fügte Dessert hinzu.

Er erklärte, dass, wenn die Masse des Axions etwa 1 Elektronenvolt (eV)/c beträgt

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(wobei „c“ die Lichtgeschwindigkeit ist), dann liegen diese emittierten Photonen im infraroten Wellenlängenbereich, und JWST könnte sie sehen. Wenn das so einfach ist, fragt man sich vielleicht, warum andere Infrarot-Teleskope den Axion-Zerfall nicht entdeckt haben. Leider gibt es einen weiteren Haken.

„Auch wenn Axionen zerfallen, wenn sie die dunkle Materie ausmachen, muss ihre Lebensdauer viel größer sein als das Alter des Universums, denn wir wissen, dass es die dunkle Materie in der Frühphase des Universums gab, und wir wissen, dass es sie auch heute noch gibt“, so Dessert. „Wir sind also auf der Suche nach einem sehr seltenen Prozess. Aber wenn Axionen die dunkle Materie ausmachen, dann gibt es etwa 10

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(das sind 10 gefolgt von 76 Nullen) Axionen in der Milchstraße, so dass der sehr seltene Prozess immer noch ziemlich oft vorkommt!“

Warum JWST das richtige Werkzeug für diese Aufgabe ist

Elisa Todarello, eine theoretische Astrophysikerin von der Universität Nottingham in England, erklärte, warum das JWST das richtige Instrument für die Suche nach dem Licht des Axion-Zerfalls ist.

„Das JWST kann extrem schwache Objekte sehen und verschiedene Frequenzen des Infrarotlichts sehr genau unterscheiden, weil es eine sehr hohe spektrale Auflösung hat“, sagte Todarello. „Das sind wünschenswerte Eigenschaften für ein Instrument, das die elektromagnetische Strahlung aufspüren soll, die durch den Zerfall eines Teilchens aus dunkler Materie entsteht.“

Todarello erklärte weiter, dass der Axionzerfall, wenn er sich auf eine bestimmte Frequenz konzentriert, die etwa der halben Axionmasse entspricht, eine schmale „Spektrallinie“ erzeugt, die es ermöglicht, ihn von Licht zu unterscheiden, das von Quellen stammt, die ein gleichmäßiges Spektrum über einen großen Frequenzbereich aussenden.

„Es wäre schwieriger, sie von Spektrallinien anderen Ursprungs zu unterscheiden – zum Beispiel von atomaren Übergängen“, sagte Todarello. „Wenn die Masse des Axions zufällig so groß ist, dass die Spektrallinie des Axion-Zerfalls mit der eines atomaren Übergangs zusammenfällt, wäre es sehr schwierig, die beiden zu trennen.“

Die Form der Spektrallinie, die durch den Axion-Zerfall entsteht, könnte den Wissenschaftlern wichtige Informationen über die Verteilung der dunklen Materie in unserer Galaxie liefern, so Todarello.

„Da wir eine gute Vorstellung davon haben, wie die dunkle Materie in der Milchstraße verteilt ist, können wir vorhersagen, wie viel davon in verschiedenen Teilen des Himmels erscheinen sollte“, fügte Pinetti hinzu. „Astrophysikalische Emissionen – Signale von Sternen, Gas oder anderen kosmischen Objekten – variieren je nachdem, wohin wir schauen. Indem wir Beobachtungen aus verschiedenen Regionen vergleichen, können wir versuchen, den Unterschied zwischen gewöhnlichem kosmischen Rauschen und einem potenziellen Signal der dunklen Materie zu erkennen.“

Wo wird nach dunkler Materie gesucht

Darüber, wie diese Detektive der dunklen Materie nach Signalen der dunklen Materie zu suchen gedenken und wonach sie zu suchen gedenken. Da dieser mysteriöse Stoff allgegenwärtig ist, stellt sich die Frage, wo man suchen muss, um die bestmögliche Chance auf einen Nachweis dunkler Materie zu haben.

Dessert und Pinetti untersuchen in ihren jeweiligen Forschungsarbeiten verschiedene mögliche „Tatorte“ der dunklen Materie.

„Ursprünglich waren wir uns nicht sicher, welche Art von Zielen empfindlichere Sonden für Axion-Zerfälle sein würden. In unserer Arbeit prognostizierten wir sowohl die Empfindlichkeit für Axionen, die im Halo der dunklen Materie der Milchstraße zerfallen, als auch für solche in kleineren Subhalos um Zwerggalaxien“, so Dessert. „Wir haben herausgefunden, dass die Axionen in der Milchstraße empfindlicher sind, weil JWST mehr Daten über diese sammeln wird, aber das war nicht von vornherein klar.

„Wir prüfen auch, ob wir mit JWST Daten über den Zerfall von Axionen in einer Zwerggalaxie erhalten können, was eine zusätzliche Überprüfung dieser Ergebnisse ermöglichen würde.“

Eine künstlerische Darstellung des Halos aus dunkler Materie (blau), von dem man annimmt, dass er die Milchstraßengalaxie umgibt. (Bildnachweis: ESO/L. Calçada)

Pinetti erklärte, dass das Team in ihrer Forschung nach einem Signal der dunklen Materie in so genannten „Blank-Sky-Feldern“ suchte.

Blank-Sky-Felder sind Beobachtungen außerhalb des Ziels, die Astronomen verwenden, um Hintergrundrauschen aus ihren Daten zu entfernen.

„Für Astronomen, die das JWST benutzen, sind diese Himmelsfelder nicht sonderlich interessant“, sagte Pinetti. „Aber hier haben wir eine ganz andere Verwendung für diese Beobachtungen gefunden – das Fehlen von hellen astronomischen Quellen in ihnen macht sie besonders nützlich für die Suche nach dunkler Materie.“

Pinetti fügte hinzu, dass dieser Ansatz besonders aufregend ist, da jede JWST-Beobachtung, unabhängig vom Ziel, die Erstellung dieser leeren Himmelsfelder als Teil des Beobachtungsprogramms erfordert.

„Unser Datensatz wird also weiter wachsen, solange JWST in Betrieb ist, und uns erlauben, immer tiefer in den dunklen Sektor vorzudringen“, so Pinetti. „Und das alles ist kostenlos, da wir fast jede Art von JWST-Beobachtung nutzen können!“

Wenn das JWST kein Signal vom Axionenzerfall aufzeigt, würde dies diese hypothetischen Teilchen als Verdächtige der dunklen Materie nicht vollständig ausschließen.

Das liegt daran, dass sich die Untersuchung des JWST auf den Zerfall von Teilchen mit Massen zwischen 0,1 eV und 4 eV konzentriert. Ein ausbleibender Nachweis könnte bedeuten, dass die Teilchen, aus denen die dunkle Materie besteht, außerhalb dieses Massenbereichs liegen.

„Es ist immer gut, viele verschiedene Möglichkeiten zu untersuchen, aber ein Nichtnachweis von dunkler Materie mit dem JWST würde nicht bedeuten, dass ein solcher Kandidat für dunkle Materie nicht mehr in Frage kommt“, sagte Todarello. „Es würde einfach bedeuten, dass die Masse des Axions in einem anderen Bereich liegt oder dass die Kopplungskonstante zu Photonen kleiner ist, als das JSWT nachweisen kann.“

Für Pinetti ist diese Art der Untersuchung der Antrieb für ihre Leidenschaft für die Wissenschaft.

„Astroteilchenphysik und Weltraumforschung verblüffen mich immer wieder – es gibt immer etwas Neues und Unerwartetes!“ schloss Pinetti. „In der Tat gibt es in den JWST-Daten einige sehr mysteriöse Signale, von denen wir noch nicht wissen, woher sie kommen. Es lohnt sich auf jeden Fall, tiefer zu graben – jedes Geheimnis bringt uns dem Verständnis des Kosmos einen Schritt näher.

„Diese Entdeckung würde das, was wir über den Kosmos wissen, völlig verändern und möglicherweise Geheimnisse ans Licht bringen, die wir uns noch nicht einmal vorstellen können.“

Die neueste JWST-Forschung zur dunklen Materie von Pinetti und Dessert wurde am 18. Februar in den Physical Review Letters veröffentlicht.