Galaxienhaufen zählen zu den größten kosmischen Materieansammlungen im Universum. Sie bestehen aus hunderten bis tausenden Galaxien, die durch das gemeinsame Schwerefeld aneinander gebunden sind. Zwischen ihnen, im so genannten intergalaktischen Medium, sammeln sich große Mengen extrem heißen Gases an, das Temperaturen von mehr als zehn Millionen Grad Celsius aufweist. Es besteht größtenteils aus Wasserstoff, doch ist es auch durch schwerere Elemente angereichert, die im Lauf der Zeit aus den einzelnen Galaxien entweichen konnten. Das heiße Medium strahlt im Röntgenbereich, und in den beobachteten Spektren lassen sich abgegrenzte Emissionslinien ausmachen. Diese kommen zu Stande, wenn in angeregten Atomen gebundene Elektronen von höheren zu niedrigeren Energieniveaus wechseln und dabei Licht einer bestimmten Frequenz aussenden. Auf diese Weise wurden bereits unterschiedliche schwerere Bestandteile nachgewiesen. Zu ihnen zählen Sauerstoff, Neon, Magnesium, Schwefel sowie Eisen, Nickel und einige weitere. Diese Untersuchungen geben unter anderem Aufschluss über die Häufigkeit von Supernova-Explosionen in den Galaxien und über die Prozesse, die das intergalaktische Medium mit schweren Elementen anreichern.

Röntgenaufnahme der Zentralregion des Perseushaufens.
© NASA / CXC / SAO / Esra Bulbul et al.
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernZentralregion des Perseushaufens
Röntgenaufnahme der Zentralregion des Perseushaufens mit dem Röntgenteleskop Chandra. Der Galaxienhaufen beherbergt tausende Galaxien und gehört zu den massereichsten Objekten im Universum. Im Spektrum wurde ein unbekanntes Signal bei 3,56 Kiloelektronvolt entdeckt.

Vor diesem Hintergrund untersuchten Astronomen um Esra Bulbul vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics Röntgenspektren von 74 Galaxienhaufen, die mit Instrumenten der Weltraumteleskope XMM-Newton und Chandra aufgenommen wurden. In diesen fahndeten sie nach Hinweisen für seltene Elemente und machten dabei eine überraschende Entdeckung: Bei einer Energie von rund 3,56 Kiloelektronvolt offenbarte sich eine bisher unbekannte Emissionslinie, deren Ursprung nicht geklärt ist. Der Anstieg der gemessenen Intensität bei dieser Energie ist zwar schwach, aber unverkennbar. Dass so ein kleines Signal überhaupt entdeckt werden konnte, liegt an der beeindruckenden Methode, mit denen das Team die Daten auswertete. Dazu rechneten die Forscher die unterschiedlichen Rotverschiebungen der 74 Galaxienhaufen, zu denen auch der im Vergleich nahe Perseushaufen gehört, heraus und überlagerten die Beobachtungen zu einem einzelnen Gesamtspektrum. Dieses Verfahren wird "Stacking" genannt und ermöglicht eine höhere Empfindlichkeit bei leuchtschwachen Objekten, da auf diese Weise insbesondere instrumentelle Effekte unterdrückt werden.

Das unverhoffte Signal lässt sich mit den heutigen Vorstellungen von der Zusammensetzung und von den physikalischen Prozessen innerhalb des intergalaktischen Mediums nicht erklären. Zum einen sind bei der bestimmten Energie keine atomaren Übergänge innerhalb des heißen Plasmas zu erwarten, und zum anderen hätten sich bekannte Elemente auch bei anderen Wellenlängen deutlich bemerkbar gemacht, wenn sie für diese Emission verantwortlich wären. Aus diesem Grund erlauben sich die Forscher, eine eher spekulative Möglichkeit in Betracht zu ziehen.

Frühere Beobachtungen von Galaxienhaufen und Modellrechnungen ihres Schwerefelds lassen darauf schließen, dass mehr als 80 Prozent ihrer Masse auf Dunkle Materie zurückzuführen ist. Woraus diese besteht, ist bis heute nicht geklärt. Es gibt jedoch hypothetische Teilchen, die als Anteile in Frage kommen könnten. Ein solches ist auch das "sterile Neutrino", das im Rahmen einiger Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt wird. Dieses würde mit gewöhnlicher Materie nur über die Gravitation wechselwirken. Die Theorien sagen aber auch voraus, dass bei Zerfällen von sterilen Neutrinos Licht bestimmter Wellenlänge freigesetzt werden würde. Diese wäre von der unbekannten Masse des Teilchens abhängig, doch könnte sie durchaus in dem Bereich liegen, welcher der Energie des nun entdeckten Signals entspricht. Damit wäre dieses ein erster direkter Nachweis für Bestandteile der Dunklen Materie. Die Astronomen betonen zwar, dass diese höchst spekulative Schlussfolgerung wegen hoher systematischer Unsicherheiten bei der Messmethode verfrüht sei, doch möchten sie die Möglichkeit auch nicht ausschließen. Als nächstes Ziel setzen sie sich, das Signal vorerst bei weiteren Galaxienhaufen zu bestätigen. Sollte das gelingen, muss daraufhin die Frage nach dessen Ursprung beantwortet werden.

Ob dies mit den derzeitigen Mitteln gelingt, ist jedoch wegen der erreichbaren Genauigkeiten fraglich. Die Forscher setzen daher große Hoffnungen auf das neuartige japanische Röntgenteleskop Astro-H, das noch in diesem Jahr in den Weltraum starten soll. Sein Spektroskop wird eine deutlich höhere Auflösung erzielen. Wohl erst mit diesen Beobachtungen wird sich die Frage nach dem mysteriösen Signal eindeutig klären lassen.