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Dunkle Materie: Auf der Lauer

Gut 85 Prozent der Masse im Universum sind angeblich unsichtbar. Und obwohl kein Wissenschaftler dieser Welt weiß, woraus diese Dunkle Materie besteht, stellen sie dennoch die abenteuerlichsten Überlegungen mit ihr an. Jetzt wollen sie herausgefunden haben, wo man am erfolgreichsten nach dem unbekannten Stoff sucht.
Kosmische StrukturenLaden...
Nicht selten überfordert die Wissenschaft unser Vorstellungsvermögen. Waren es in der Antike noch aus heutiger Sicht triviale Dinge wie eine kugelförmige Erde, sehen wir uns heute beispielsweise konfrontiert mit dem Wissen, dass alles, was wir kennen, aus winzigen Quanten besteht, die einem skurrilen Regelwerk gehorchen. Und zu allem Überfluss macht dieses "Alles" nur rund vier Prozent der gesamten Energie und Materie im Universum aus – zumindest wenn man den gegenwärtigen Theorien glaubt.

Der Rest besteht womöglich aus mysteriöser Dunkler Energie und Materie – über deren Natur bislang nur spekuliert wird. Und so suchen Astronomen auch händeringend nach Spuren im Weltall, um die beiden Exoten dingfest zu machen. Im Fall der Dunklen Materie gelingt das schon recht gut – zum Beispiel anhand von kollidierenden Galaxienhaufen, bei denen sich die geheimnisvolle von der gewöhnlichen Materie trennt.

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1E 0657-56 Komposit | Dieses Komposit aus optischen und Röntgenaufnahmen zeigt den »Bullet Cluster« 1E 0657-56. Rot: heißes Gas (Chandra), gelb/weiß: Galaxien (Magellan, HST), blau: Simulation der Dunklen Materie anhand des Gravitationslinseneffekts.
Doch mit fortschreitender Technik kommen wir dem entscheidenden Durchbruch allmählich näher, prophezeien Wissenschaftler und berufen sich unter anderem auf den Large Hadron Collider bei Genf oder den Satelliten Fermi, der seit Juni 2008 den Weltraum im Gammalicht untersucht. Und natürlich nicht zuletzt auf ihre Hypothesen. So soll nach einem Konzept der Teilchenphysik, der so genannten Supersymmetrie, ein Dunkle-Materie-Elementarteilchen existieren, das womöglich im LHC entstehen und nachgewiesen werden könnte.

Außerdem sollte es sich auch in freier Wildbahn verraten, sobald es mit einem Partner kollidiert: Die beiden Partikel würden sich gegenseitig vernichten und dabei Gammastrahlung freigesetzen. Tritt der dunkle Stoff in ausreichend hoher Dichte auf, könnte dieses Signal unter Umständen mit Fermi nachweisbar sein – direkt vor der kosmischen Haustür. Denn unsere Galaxis liegt inmitten einer ausgedehnten Blase aus Dunkler Materie mit der billionenfachen Sonnenmasse.

Allerdings ist Beobachtungszeit teuer, und so sind Astronomen bemüht, die effektivsten Quellen bereits im Vorhineien auszumachen. Einige behaupten, das Signal sei in kleinen Klumpen aus Dunkler Materie besonders stark, wie sie beispielsweise in den Satellitengalaxien der Milchstraße zu finden sind. Volker Springel vom Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching und seine Kollegen sind damit allerdings nicht einverstanden.

Glast auf der JagdLaden...
Glast auf der Jagd | Das Gamma-Ray Large Area Space Telescope (GLAST), das inzwischen den Namen Fermi trägt, soll die Quellen von Gammastrahlung im Weltall aufspüren. Die Forscher erhoffen sich dadurch neue Erkenntnisse über zentrale Fragen der Astronomie.
Am Computer simulierten sie die Verteilung der Dunklen Materie um eine Galaxie wie unsere. Dabei gingen sie von kalter Dunkler Materie aus – bestehend aus eben jenen hypothetischen Elementarteilchen, die sich relativ langsam bewegen. In diesem Modell sind die kleinsten Ansammlungen etwa so groß wie unser Sonnensystem und wiegen etwa eine Erdmasse. Über Jahrmilliarden verschmolzen sie zu immer größeren Strukturen bis hin zu den riesigen Halos von Galaxienhaufen.

Auch die Dunkle-Materie-Blase um unser Sternsystem soll durch solche Prozesse entstanden sein. Einige Klumpen wurden dabei nicht auseinandergerissen und bildeten die Satellitengalaxien der Milchstraße, wie beispielsweise die Magellanschen Wolken, oder treiben womöglich immer noch durch den Haupthalo. Um die enorme Reichweite der Gravitation gänzlich einzubeziehen, begannen die Wissenschaftler ihre Simulation allerdings viel weiter draußen und zoomten erst später auf den galaktischen Halo.

In 3,5 Millionen Rechnerstunden verfolgten die Forscher, wie sich im Lauf der Zeit kleine Strukturen im Halo formten. Das Ergebnis deutet darauf hin, dass die Signale aus dem gleichmäßigen inneren Halo der Milchstraße am einfachsten zu detektieren sind. Dabei sollte Fermi seinen Blick allerdings nicht direkt auf das galaktische Zentrum lenken, denn hier könnten andere Gammaquellen – etwa Supernovaüberreste oder ionisierte Gaswolken – die Suche verfälschen.

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Simulierte Dunkle Materie | Projezierte Dichte der Dunklen Materie in einer simulierten Galaxie mit der Größe der Milchstraße. Myriaden von Klumpen aus Dunkler Materie kreisen in dem Halo der Galaxie. Ihre dichten Zentren strahlen energiereiche Gammastrahlung ab, die durch gegenseitige Vernichtung von Teilchen der Dunklen Materie erzeugt wird.
Etwa 10 bis 30 Grad vom Zentrum entfernt, aber immer noch innerhalb des Sonnenorbits, dürfte die Ausbeute am größten sein, berichten Springel und sein Team. Die Dunkle Materie sollte sich durch ein charakteristisches Muster bemerkbar machen. Hat Fermi erst einmal die Fährte aufgenommen, spürt er eventuell auch kleinere, sternlose Klumpen in Sonnennähe auf. Und auch die Begleitgalaxien der Milchstraße sollten die charakteristische Gammastrahlung zeigen, auf Grund ihres großen Abstands wäre diese allerdings sehr viel schwächer.

So verlockend dieses Szenario klingen mag, es bleibt zunächst einmal nichts weiter als graue Theorie. Denn bislang steht das Modell an vielen Ecken auf wackligen Beinen: Weder ist klar, ob die vorausgesetzte Supersymmetrie gilt, noch ob die unzähligen Parameter richtig gewählt wurden. Auf jeden Fall bedeutet die Arbeit von Springel und seinem Team aber einen großen Fortschritt darin, die Evolution des Universums zu simulieren. Ob sie darüber hinausgeht, wird sich dann vielleicht in wenigen Jahren herausstellen.
45. Woche 2008

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 45. Woche 2008

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  • Quellen
Springel, V. et al.: Prospects for detecting supersymmetric dark matter in the Galactic halo. In: Nature 456, S. 73–76, 2008.

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