Ein Blick auf den Galaxienhaufen Abell 1689 mit violetten Galaxien und hellen Sternen, die seinen enormen Gehalt an dunkler Materie zeigen (Bildnachweis: NASA)
Dunkle Materie ist notorisch unsozial und weigert sich, mit Licht und „normaler“ Materie zu interagieren, was sie praktisch unsichtbar macht. Aber die Wissenschaftler sind sich nicht sicher, ob die dunkle Materie mit sich selbst interagiert.
Wenn die Teilchen, aus denen die dunkle Materie besteht, sich selbst beeinflussen, indem sie miteinander kollidieren und sich möglicherweise sogar gegenseitig vernichten, legen neue Forschungsergebnisse nahe, dass Galaxienhaufen als natürliche Kollisionsgeräte für dunkle Materie verwendet werden könnten. Diese Methode zum Nachweis dunkler Materie würde davon abhängen, ob zwei dieser riesigen Galaxiengruppen aufeinandertreffen und miteinander kollidieren.
Da diese Galaxienhaufen voll mit dunkler Materie sind, könnten Astronomen diese kosmischen Absturzstellen untersuchen, um mögliche Anzeichen für eine Wechselwirkung der dunklen Materie mit sich selbst zu entdecken.
Ein solcher Hinweis würde uns zwar nicht genau sagen, aus welchen Teilchen die dunkle Materie besteht, aber er würde helfen, Modelle der dunklen Materie auszuschließen, die keine Selbstwechselwirkung zulassen, und die Forscher näher an den wahren Kandidaten für dunkle Materie heranbringen.
„Galaxienhaufen werden auch von dunkler Materie dominiert“, sagte Jacqueline McCleary, Assistenzprofessorin für Physik an der Northeastern University, in einer Erklärung. „Achtzig bis 90 % ihrer Masse besteht aus dunkler Materie, und je massereicher ein Objekt ist, desto schneller bewegen sich die Teilchen der dunklen Materie, aus denen es besteht. Man studiert im Grunde genommen sehr hochenergetische Kollisionen“.
Inhaltsübersicht
Sind dunkle Materieteilchen unsoziale ‚kosmische Geister‘?
Das Fehlen von Wechselwirkungen ist einer der Gründe, warum es so schwierig ist, dunkle Materie zu verstehen. Obwohl sie mehr als 80 % des materiellen Universums ausmacht und für den Gravitationseinfluss sorgt, der Galaxien buchstäblich am Auseinanderfliegen hindert, ist die dunkle Materie praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht wechselwirkt. Diese unsozialen Eigenschaften haben Wissenschaftler zu der Erkenntnis geführt, dass die dunkle Materie nicht aus Atomen bestehen kann, die aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen, die mit Licht und untereinander wechselwirken. Dies hat die Suche nach einem brauchbaren Kandidaten für dunkle Materie ausgelöst.
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„Alles im Universum ist ein Teilchen, eine Welle und ein Feld, also ist die Grundannahme, dass dunkle Materie ein Teilchen sein muss“, sagte McCleary. „Die Frage ist, um welche Art von Teilchen es sich handelt, denn ein ‚Teilchen‘ ist sehr vage.“
Die in Frage kommenden Teilchen reichen von hypothetischen „Weakly Interacting Massive Particles“ oder „WIMPS“ über „MAssive Compact Halo Objects“ oder „MACHOs“ (wir sehen euch, Wissenschaftler) bis hin zu winzigen, nahezu masselosen Teilchen namens Axionen oder sterilen Neutrinos. Sogar winzige schwarze Löcher, die vom Urknall übrig geblieben sind, sogenannte primordiale schwarze Löcher, werden als Kandidaten für dunkle Materie gehandelt.
Das Problem ist, dass alle diese Verdächtigen nicht aufgespürt werden konnten und daher frustrierend hypothetisch bleiben.
Ein Tortendiagramm, das zeigt, dass die dunkle Materie die „normale“ Materie im Universum überwiegt, aus der alles besteht, was wir um uns herum sehen. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit Canva))
Die phantomartige Natur der dunklen Materie bedeutet, dass wir die Teilchen der dunklen Materie nicht einfach in einen Teilchenbeschleuniger auf der Erde, wie den Large Hadron Collider (LHC), laden können, um sie zu zerschmettern und ihre Zusammensetzung zu bestimmen.
Während der LHC also einige der Geheimnisse des so genannten „Standardmodells der Teilchenphysik“ geknackt hat, indem er Protonen zerlegt und die dabei entstehenden Teilchenschauer beobachtet, scheint die dunkle Materie, die jenseits dieses Modells liegt, für den leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger der Welt vom Tisch zu sein.
Die einzige Möglichkeit, auf das Vorhandensein von dunkler Materie zu schließen, ist die einzige Wechselwirkung, die sie zu haben scheint. Dunkle Materie hat Masse, und deshalb verzerrt sie die Raumzeit (eine vierdimensionale Vereinigung von Zeit und Raum), was ihr einen gravitativen Einfluss verleiht.
Dieser Einfluss kann der alltäglichen Materie und dem Licht sagen, wie sie sich bewegen sollen, und das können wir nachweisen. Durch diesen indirekten Ansatz wissen wir, dass Galaxien von riesigen Halos aus dunkler Materie umgeben sind und dass dunkle Materie auch in der Nähe der Galaxienkerne in großen Mengen vorhanden ist.
Wissenschaftler gehen auch davon aus, dass Galaxien, die sich zu riesigen Haufen zusammenschließen, das Ergebnis riesiger Ranken unsichtbarer dunkler Materie sind, die sich wie das unsichtbare Netz einer kosmischen Spinne durch das Universum ziehen. Dieses kosmische Netz trägt auch dazu bei, dass einzelne Galaxien an Masse gewinnen und wachsen, da seine Gravitationskraft gewöhnliche Materie anzieht.
Eine Illustration zeigt eine Galaxie, die von einem kosmischen Netz aus unsichtbarer dunkler Materie umschlungen ist. (Bildnachweis: Robert Lea (erstellt mit canva))
McCleary und Kollegen schlugen vor, auf einen von Menschen gebauten Teilchenbeschleuniger zu verzichten und stattdessen einen natürlichen zu verwenden. Sie argumentieren, dass, wenn Galaxienhaufen und die von ihnen mitgeführte dunkle Materie mit ausreichender Kraft zusammenstoßen, nachweisbare Wechselwirkungen zwischen dunkler Materie auftreten können – falls dunkle Materie tatsächlich mit sich selbst wechselwirkt.
Diese Wechselwirkungen können so einfach sein, dass Teilchen der dunklen Materie zusammenstoßen und aneinander abprallen, oder sie können zu einer gegenseitigen Vernichtung und einem Energieblitz führen. Wenn Teilchen und Antiteilchen – z. B. ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron – aufeinander treffen, zerstören sie sich gegenseitig, und die Energie, die sie enthalten, wird freigesetzt. Einige Modelle der dunklen Materie gehen davon aus, dass sie ihr eigenes Antiteilchen ist, was bedeutet, dass eine Form der Wechselwirkung die Selbstvernichtung sein könnte, wenn zwei dunkle Materieteilchen aufeinander treffen.
Um diese Idee zu testen, erstellte das Team Simulationen von Galaxienhaufen-Kollisionen auf Computern, die leistungsfähig genug sind, um die Kollisionen bis hin zu Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen zu untersuchen. Dazu mussten die Simulationen mit physikalischen Modellen der Wechselwirkungen zwischen Sternen, Gas und dunkler Materie programmiert werden.
Durch die Verwendung dieser und ähnlicher Simulationen konnten die Wissenschaftler einen Fahrplan für die Beobachtung echter Kollisionen mit dunkler Materie erstellen. Auf diese Weise könnten die Forscher Anhaltspunkte sammeln, die ihnen helfen, einige der grundlegenden Eigenschaften zu bestimmen, die ein hypothetisches Teilchen aus dunkler Materie besitzen müsste. Dadurch könnten die Verdächtigen der dunklen Materie eingegrenzt werden.
„Wenn man eine gewisse Selbstwechselwirkung messen oder eine Obergrenze festlegen kann, schließt man eine Klasse von Teilchen aus oder ein, bei denen es sich um dunkle Materie handeln könnte“, sagte McCleary. „Wenn man eine Selbstwechselwirkung misst, kann man eine andere Klasse von Teilchen einbeziehen. Man lässt eine andere Klasse von Theorien zu.
„Was diese Arbeit auch aussagt, ist, dass man, wenn man eine Gruppe von, sagen wir, 100 Galaxienhaufen untersucht, die verschmelzen, die Chance hat, die Selbstwechselwirkung der dunklen Materie bis zu einem gewissen Schwellenwert zu messen.“
„Es scheint zunächst kontraintuitiv zu sein, weil wir immer eine positive Antwort haben wollen: Was ist es?“ schloss McCleary. „Aber in diesem Fall sind wir gezwungen zu sagen: Was ist es nicht? Es ist ein Prozess der Eliminierung.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im April in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
