Seit langem beobachten Astronomen, dass Sterne am Rand von Galaxien zu schnell rotieren, als ob eine verborgene Masse sie daran hindern würde, davonzufliegen. Diese Beobachtung wirft eine grundlegende Frage auf: Was ist die Natur dieser unfassbaren Materie?
Um diese zu beantworten, haben Wissenschaftler das Konzept der dunklen Materie eingeführt. In den 1930er Jahren war Fritz Zwicky der erste, der diese Idee nach der Untersuchung von Galaxienhaufen äußerte. Dunkle Materie strahlt nicht, was sie für optische Teleskope unsichtbar macht. Daher wurde ihre Präsenz jahrzehntelang nur durch ihre gravitativen Auswirkungen auf die sichtbare Materie abgeleitet.
Karte der Gammastrahlenintensität unter Ausschluss anderer Komponenten als dem Halo, die sich über etwa 100 Grad zum galaktischen Zentrum erstreckt. Der horizontale graue Balken entspricht der Region der galaktischen Ebene, die von der Analyse ausgeschlossen wurde, um starke astrophysikalische Strahlung zu vermeiden.
Bildnachweis: Tomonori Totani, Universität Tokio Kürzlich ergab sich ein neuer Ansatz dank des NASA-Weltraumteleskops Fermi. Dieses Instrument beobachtet Gammastrahlen, eine Form sehr energiereichen Lichts. Forscher glauben, dass wenn dunkle Materie aus massereichen, schwach wechselwirkenden Teilchen besteht, sogenannten WIMPs (siehe unten), deren Annihilation diese Gammastrahlen erzeugen könnte. Daher könnten durch die Beobachtung von Regionen, die reich an dunkler Materie sind, wie das Zentrum der Milchstraße, spezifische Signale aufgefangen werden.
Tomonori Totani von der Universität Tokio analysierte die Daten von Fermi. Er identifizierte einen Überschuss an Gammastrahlen mit einer Energie von 20 Gigaelektronenvolt, der eine Halostruktur um das galaktische Zentrum bildet. Diese Emission stimmt gut mit den theoretischen Vorhersagen für die Annihilation von WIMPs überein. Darüber hinaus stimmt das Energiespektrum der Strahlung mit Teilchen überein, die eine Masse von etwa dem 500-fachen eines Protons haben.
Diese Entdeckung ist vielversprechend, da sie nicht einfach durch andere bekannte astronomische Prozesse erklärt werden kann. Totani schätzt, dass dies ein starker Hinweis auf die Emission dunkler Materie ist. Wenn bestätigt, würde dies im Kalender das erste Mal markieren, dass die Menschheit diese bisher unsichtbare Materie "sehen" konnte, was eine neue Ära in der Teilchenphysik einläutet. Die Ergebnisse wurden im
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht.
Energieabhängigkeit der Photonen der Halostrahlung (Datenpunkte). Die roten und blauen Linien stellen das erwartete Spektrum bei der Annihilation von WIMPs dar, das gut mit den Beobachtungen übereinstimmt.
Bildnachweis: Tomonori Totani, Universität Tokio
Tomonori Totani betont die Notwendigkeit einer unabhängigen Überprüfung. Andere Forscher müssen diese Ergebnisse reproduzieren. Um den Beweis zu stärken, könnten ähnliche Signale in Zwerggalaxien gesucht werden, wo dunkle Materie ebenfalls konzentriert ist. Die Sammlung zusätzlicher Daten wird es ermöglichen, diese Hypothese zu bestätigen oder zu widerlegen.
In der Zwischenzeit weckt dieser Fortschritt erneut die Hoffnung, das Rätsel der dunklen Materie zu lösen. Die Implikationen für unser Verständnis des Universums sind tiefgreifend, da es eine neue Physik jenseits des Standardmodells aufdecken könnte und damit unsere Sicht auf den Kosmos und seine fundamentalen Bestandteile verändern.
Annotierte Karte der Gammastrahlenintensität, die die Halostruktur um das galaktische Zentrum hervorhebt.
Bildnachweis: Tomonori Totani, Universität Tokio WIMPs: Kandidatenteilchen für dunkle Materie
WIMPs, oder schwach wechselwirkende massereiche Teilchen, sind eine populäre Hypothese zur Erklärung dunkler Materie. Diese Teilchen sind theoretisch und gehören nicht zum Standardmodell der Teilchenphysik. Ihr Name rührt von ihrer schwachen Wechselwirkung mit gewöhnlicher Materie her, was sie schwer direkt nachweisbar macht. Wissenschaftler ziehen sie in Betracht, da sie einen großen Teil der fehlenden Masse im Universum darstellen könnten.
Es wird angenommen, dass diese Teilchen schwer sind, mit Massen, die von einigen Dutzend bis zu tausendmal der eines Protons reichen können. Ihre Existenz wird durch Theorien wie Supersymmetrie motiviert, die das Standardmodell erweitert. Wenn WIMPs existieren, könnten sie sich natürlich im frühen Universum gebildet haben und bis heute bestehen, wodurch sie die gravitativen Beobachtungen erklären, ohne sichtbar zu sein.
Die Annihilation von WIMPs ist ein Schlüsselprozess für ihren Nachweis. Wenn zwei WIMPs kollidieren, können sie sich vernichten und dabei sekundäre Teilchen wie Gammastrahlen erzeugen. Es ist diese Signatur, die Forscher mit Instrumenten wie dem Fermi-Teleskop einzufangen versuchen. Die jüngste Entdeckung stimmt mit dieser Vorhersage überein und bietet einen konkreten Ansatz.
Trotz dieser Fortschritte bleiben WIMPs hypothetisch. Andere Kandidaten für dunkle Materie existieren, wie Axionen oder primordiale Schwarze Löcher. Die Forschung geht mit unterirdischen Experimenten und Weltraumbeobachtungen weiter, um zwischen diesen Möglichkeiten zu entscheiden, aber WIMPs bleiben ein vielversprechender Weg bei der Suche nach dem Verständnis des unsichtbaren Universums.
Quelle: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics