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Astrophysik

Ist die Dunkle Materie eine Supraflüssigkeit?

Das bisher favorisierte Modell für die Dunkle Materie hat eine Schwäche. Ein neuer Ansatz bügelt sie aus - und könnte unser Weltbild spektakulär erweitern.
Dunkle Materie

Sie ist eine der größten Kuriositäten der Astrophysik: die Dunkle Materie. Vor knapp 80 Jahren nutzte der Astronom Fritz Zwicky erstmals diese Bezeichnung. Er hatte erkannt, dass die Gravitationskraft einer unbekannten Quelle nötig war, um einzelne Galaxien daran zu hindern, aus riesigen Galaxienhaufen wegzufliegen. Später verwendeten Vera Rubin und Kent Ford die Dunkle Materie, um zu erklären, warum die Teile einzelner Galaxien überhaupt beieinander bleiben.

Auch wenn wir heutzutage in beiden Fällen von Dunkler Materie sprechen, ist keineswegs klar, dass es sich jeweils um ein und denselben Stoff handelt. Das einfachste und populärste Modell geht davon aus, dass die Dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden Teilchen besteht, die sich nur langsam bewegen. Mit Hilfe dieser "kalten" Dunklen Materie lassen sich großräumige Strukturen wie Galaxienhaufen präzise beschreiben. Doch das Modell ist weit weniger genau bei den Rotationskurven von Galaxien; auf dieser Größenskala verhält sich die Dunkle Materie offenbar anders.

Ein aktueller Versuch, dieses Rätsel zu lösen, geht von Justin Khoury von der University of Pennsylvania und seinem ehemaligen Mitarbeiter Lasha Berezhiani aus, der jetzt an der Princeton University tätig ist. Die beiden Physiker stellen die Hypothese auf, dass die Dunkle Materie auf unterschiedlichen Skalen verschiedene Zustände einnehmen kann. In der kalten, dichten Umgebung eines galaktischen Halos, in dessen Zentrum die Galaxie eingebettet ist, wird die Sterninsel zu einer Supraflüssigkeit – einem exotischen Quantenzustand mit verschwindend geringer Viskosität.

Wäre das der Fall, würde die Dunkle Materie eine neue Kraft hervorrufen – und so ließen sich Beobachtungen erklären, die nicht in das bisherige Modell der Astrophysiker passen. Auf einer noch größeren Skala im Bereich von ganzen Galaxienhaufen dagegen sind die speziellen Bedingungen, die für den Übergang in eine Supraflüssigkeit nötig sind, nicht erfüllt. Dort verhält sich die Dunkle Materie dann wieder genau so, wie konventionelle kalte Dunkle Materie es sollte.

"Es ist eine hübsche Idee", sagt Tim Tait, ein Teilchenphysiker an der University of California in Irvine. "So hat man zwei verschiedene Arten von Dunkler Materie, die aber ein und denselben Stoff beschreiben." Zwar hatten auch schon andere Physiker ähnlich Ideen, aber Khoury und Berezhiani nähern sich dem Punkt, an dem sich überprüfbare Vorhersagen machen lassen. Damit könnten Astronomen untersuchen, ob unsere Galaxie tatsächlich in einer Supraflüssigkeit schwimmt.

Unmögliche Supraflüssigkeiten

Auf der Erde sind Supraflüssigkeiten alles andere als alltäglich. Seit dem Jahr 1938 gelingt es Physikern jedoch, solche Stoffe in ihren Laboratorien künstlich herzustellen. Dazu kühlen sie Teilchen ausreichend weit ab, so dass sich ihre Quantennatur offenbart. Ihre Materiewellen breiten sich aus und überlappen einander. Dadurch koordiniert sich ihr Verhalten und sie bilden eine Art Superatom. Die Teilchen werden kohärent, ähnlich wie Photonen in einem Laserstrahl, die alle dieselbe Energie besitzen und gemeinsam schwingen. Im Labor ist die Prozedur heutzutage Routine und selbst Studenten stellen solche Bose-Einstein-Kondensate her. Und viele dieser BEKs sind Supraflüssigkeiten.

In der normalen Alltagswelt ist es allerdings zu warm, als dass die notwendigen Quanteneffekte auftreten. "Wohl noch vor zehn Jahren haben die Leute deshalb über diese Theorie gespottet und gesagt: Das ist unmöglich!", erklärt Tait. Doch inzwischen haben sich mehr und mehr Physiker mit der Idee angefreundet, dass sich unter den extremen Bedingungen des Weltraums auf natürliche Weise Supraflüssigkeiten bilden könnten – etwa im Inneren von Neutronensternen. Und einige Forscher spekulieren, die Raumzeit selbst könnte eine Supraflüssigkeit sein. Warum sollte also nicht auch die Dunkle Materie in eine Supraflüssigkeit übergehen können?

Um eine Ansammlung von Teilchen in eine Supraflüssigkeit zu verwandeln, sind zwei Dinge nötig: die Teilchendichte muss sehr hoch sein und die Temperatur extrem niedrig. Im Labor lässt sich das mit einer elektromagnetischen Falle erreichen, in der Physiker die Teilchen einschließen und sie mit Laserstrahlen beschießen, um ihre Bewegungsenergie zu reduzieren. Damit erreicht man Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt.

Eine niedrige Temperatur zu erreichen, ist im Weltraum einfach – schließlich ist der Weltraum kalt. Die Gravitationskraft der Galaxien müsste die Rolle der elektromagnetischen Falle übernehmen und die Dunkle Materie ausreichend verdichten. Außerhalb der Vorhöfe der Galaxien ist die Anziehungskraft dagegen geringer und die Dichte der Dunklen Materie reicht nicht für einen Übergang in den supraflüssigen Zustand aus. Dort wirkt die Dunkle Materie so, wie es das gewöhnliche Modell vorhersagt und erklärt somit auch das, was die Astronomen auf großen Skalen beobachten.

Das Besondere am neuen Ansatz

Wie kann der supraflüssige Zustand nun das Verhalten der Dunklen Materie verändern? Eine ganze Reihe von Forschern hat sich in den vergangenen Jahren bereits mit diesen Fragen befasst. Khourys Ansatz ist gleichwohl einzigartig, weil er erstmals zeigt, wie die Supraflüssigkeit zu einer zusätzlichen Kraft führen kann.

Um das zu verstehen, ist es hilfreich, sich ein paar physikalische Grundlagen ins Gedächtnis zu rufen: Die Störung eines Felds führt immer dazu, dass sich eine Welle ausbreitet. Bewegt man beispielsweise in einer Antenne Elektronen hin und her, so stört man das elektrische Feld und erzeugt dadurch Radiowellen. Wenn zwei kollidierende Schwarze Löcher das Gravitationsfeld stören, resultiert das in Gravitationswellen. Und aus einer Störung in einer Supraflüssigkeit entstehen so genannte Phononen – das sind gewissermaßen Schallwellen in der Supraflüssigkeit.

Suprafluide Dunkle Materie
Suprafluide Dunkle Materie

Die Wellen üben eine Kraft aus, die der elektrostatischen Kraft zwischen geladenen Teilchen ähnelt. "Das ist deshalb clever, weil wir nun eine Kraft zusätzlich zur Gravitation haben, die trotzdem von der Dunklen Materie stammt", erläutert Khoury. "Eine Eigenschaft der Dunklen Materie führt also zu dieser Kraft." Und diese könnte ausreichen, um das bislang rätselhafte Verhalten der Dunklen Materie innerhalb der galaktischen Halos zu erklären.

Eine andere Art von Dunkler Materie

Wissenschaftler suchen schon lange nach Dunkler Materie. Bisher haben sie ihre Anstrengungen hauptsächlich auf schwach wechselwirkende massereiche Teilchen konzentriert, kurz WIMPs genannt, nach ihrer englischen Bezeichnung als Weakly Interacting Massive Particles. WIMPs sind einerseits populär, weil sie den größten Teil der astronomischen Beobachtungen erklären können, andererseits, weil sie sich ganz natürlich aus hypothetischen Erweiterungen des Standardmodells der Teilchenphysik ergeben.

Doch bislang hat niemand WIMPs gesehen. Und auch die hypothetischen Erweiterungen des Standardmodells haben sich in Experimenten bisher nicht gezeigt, sehr zur Enttäuschung der Physiker. Mit jedem erfolglosen Versuch verdüstert sich die Perspektive weiter – und deshalb halten die Physiker Ausschau nach anderen Kandidaten für die Dunkle Materie. "Zu welchem Zeitpunkt sollen wir uns eingestehen, dass wir auf dem Holzweg sind?", fragt Stacy McGaugh, Astronom an der Case Western Reserve University.

Damit die Idee von Khoury und Berezhiani funktioniert, muss die Dunkle Materie aus Teilchen bestehen, die ganz anders sind als WIMPs. Im Vergleich zu anderen Elementarteilchen wären WIMPs sehr massereich – sie besäßen etwa die 100-fache Masse von Protonen. Für Khourys Szenario müssten sie jedoch um einen Faktor von einer Milliarde masseärmer sein. Daraus folgt sofort, dass es eine Milliarde Mal mehr Teilchen geben müsste, die durch das Universum sausen, um den Einfluss der Dunklen Materie zu erklären. Und damit könnten die Teilchen die Dichte erreichen, die für einen Übergang in eine Supraflüssigkeit nötig ist. Hinzu kommt, dass gewöhnliche WIMPs nicht miteinander in Wechselwirkung treten. Die Teilchen einer supraflüssigen Dunklen Materie müssten dagegen stark miteinander interagieren.

Der beste Kandidat für ein solches Teilchen ist das Axion, ein hypothetisches Teilchen mit einer Masse, die 10 000 Billionen Billionen Mal kleiner ist als die eines Elektrons. Und wie Chanda Prescod-Weinstein, theoretische Physikerin an der University of Washington, erläutert, könnten Axionen theoretisch zu etwas Ähnlichem wie einem Bose-Einstein-Kondensat kondensieren.

Doch das Standard-Axion passt nicht richtig zu den Bedürfnissen des Modells von Khoury und Berezhiani: Das Modell erfordert eine starke abstoßende Kraft zwischen den Teilchen. Typische Axionen dagegen zeigen eine schwache, anziehende Wechselwirkung. Davon einmal abgesehen "denke ich, dass jeder davon ausgeht, dass die Teilchen der Dunklen Materie auf irgendeiner Ebene miteinander wechselwirken", konstatiert Tait. Es gehe also nur darum herauszufinden, ob diese Wechselwirkung stark oder schwach ist.

Die Suche nach einer kosmischen Supraflüssigkeit

Als Nächstes müssen Khoury und Berezhiani nach einer Möglichkeit suchen, ihr Modell zu testen – also nach einem verräterischen Phänomen, mit dem sich supraflüssige von gewöhnlicher Dunkler Materie unterscheiden lässt. Eine Möglichkeit dafür wären Wirbel. Im Labor bilden sich in rotierenden Supraflüssigkeiten Wirbel, die sich ohne jeden Energieverlust stetig weiterdrehen. Halos aus supraflüssiger Dunkler Materie würden ausreichend schnell rotieren, um zahlreiche solcher Wirbel zu produzieren. Wenn diese Wirbel massereich genug sind, müsste man sie direkt nachweisen können.

Unglücklicherweise ist das vermutlich nicht der Fall. Computersimulationen von Khoury deuten darauf hin, dass die Wirbel in der supraflüssigen Dunklen Materie "ziemlich schwach" ausgeprägt sind, so der Forscher. Damit ist es unwahrscheinlich, dass sich ihre Existenz eindeutig belegen lässt. Möglicherweise ließe sich der Gravitationslinseneffekt nutzen, spekuliert Khoury, um eine Streuung der Strahlung weit entfernter Quellen an den Wirbeln nachzuweisen, ähnlich wie Kristalle Röntgenstrahlung streuen.

Astronomen könnten aber auch nach indirekten Hinweisen darauf suchen, dass es sich bei der Dunklen Materie um eine Supraflüssigkeit handelt. Dazu müssten sie die Verschmelzung von Galaxien untersuchen. Die Häufigkeit, mit der Galaxien zusammenstoßen, hängt von der dynamischen Reibung ab. Stellen wir uns einen massereichen Körper vor, der durch eine Wolke aus kleineren Teilchen saust. Viele der kleinen Teilchen würden von dem massereichen Körper mitgezogen. Da aber der Gesamtimpuls des Systems eine Erhaltungsgröße ist, muss sich im Gegenzug der massereiche Körper etwas verlangsamen.

Genau das passiert auch, wenn zwei Galaxien beginnen zu verschmelzen. Wenn sie sich ausreichend angenähert haben, durchdringen sich ihre Halos aus Dunkler Materie. Die dadurch ausgelöste Umordnung der sich unabhängig voneinander bewegenden Teilchen der Dunklen Materie führt zur dynamischen Reibung und bringt die Halos noch näher zueinander. Der Effekt unterstützt also die Verschmelzung und erhöht die Zahl der Verschmelzungen von Galaxien im Kosmos.

Wenn die Halos aber im supraflüssigen Zustand sind, bewegen sich die Teilchen der Dunklen Materie synchron. Es gäbe keine dynamische Reibung, eine Verschmelzung wäre schwieriger. Das sollte zu einem charakteristischen Muster führen, einem Interferenzmuster in der Materieverteilung in den Galaxien.

Eine Lösung nach der Art von Tycho Brahe

Zwar steht McGaugh der Idee supraflüssiger Dunkler Materie im Großen und Ganzen positiv gegenüber. Doch er gesteht auch leise Zweifel ein, ob die Physiker bei ihren Anstrengungen, das Beste aus zwei Welten zu vereinen, nicht eine "Lösung nach der Art von Tycho Brahe" erschaffen. Der dänische Astronom erfand im 16. Jahrhundert eine Hybridkosmologie, in der die Erde weiterhin im Zentrum des Universums stand, alle anderen Planeten jedoch die Sonne umkreisten. Damit versuchte er den Unterschied zwischen dem alten ptolemäischen und dem neuen kopernikanischen Weltbild aufzuheben. "Ich befürchte ein wenig, dass unsere Versuche in eine ähnliche Richtung gehen, dass wir also etwas ganz Grundlegendes übersehen", sagt McGaugh. "Trotzdem glaube ich, dass wir diese Ideen erforschen sollten."

Tait bewundert das Supraflüssigkeitsmodell aus intellektueller Sicht, doch er würde die Theorie gern auf der mikroskopischen Ebene weiter ausgearbeitet sehen. Und zwar bis zu einem Punkt, "an dem wir wirklich alles berechnen können und zeigen können, warum alles so funktioniert, wie es soll. Bislang müssen wir an einigen Stellen immer noch ein paar Wunder einfügen", um alles so hinzubiegen, dass es passt. "Vielleicht sind das durchaus vorstellbare Wunder, aber ich bin bislang nicht wirklich überzeugt davon."

Ein möglicher Knackpunkt im Konzept von Khoury und Berezhiani ist, dass es eine sehr spezielle Art von Teilchen erfordert, die unter genau den richtigen Bedingungen eine Supraflüssigkeit bilden. Denn die in dem Modell erzeugte zusätzliche Kraft hängt stark von den genauen Eigenschaften der Supraflüssigkeit ab. Die Forscher sind nun auf der Suche nach einer existierenden Supraflüssigkeit – also einer, die sich im Labor herstellen lässt – mit den gewünschten Eigenschaften. "Wenn wir ein solches System in der Natur finden, wäre es ganz erstaunlich", räumt Khoury ein, denn es würde ein nützliches Analogon für weitere Forschungen bieten. "Im Prinzip können wir dann die Eigenschaften von Galaxien simulieren, indem wir kalte Atome im Labor nutzen, um das Verhalten der supraflüssigen Dunklen Materie nachzuahmen."

Zwar operieren Forscher bereits seit Jahrzehnten mit Supraflüssigkeiten, doch für Teilchenphysiker handelt es sich um Neuland. Sie beginnen erst langsam zu erkennen, wie nützlich einige dieser Ideen aus dem Bereich der kondensierten Materie sind. Die Werkzeuge aus diesem und anderen Bereichen miteinander zu kombinieren und auf die Physik der Gravitation anzuwenden, könnte einen lange bestehenden Streit über die Dunkle Materie lösen – und wer weiß, welche anderen Durchbrüche noch daraus resultieren?

"Brauchen wir Supraflüssigkeitsmodelle? In der Physik geht es nicht wirklich darum, was wir brauchen", stellt Prescod-Weinstein klar. "Es geht darum, was das Universum macht. Vielleicht produziert es ganz selbstverständlich Bose-Einstein-Kondensate, so wie es natürliche Maser im Orionnebel gibt. Brauche ich Laser im Weltraum? Nein, aber sie sind ziemlich cool!"

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Von "Spektrum der Wissenschaft" übersetzte und redigierte Fassung des Artikels "Dark Matter Recipe Calls for One Part Superfluid" aus "Quanta Magazine", einem inhaltlich unabhängigen Magazin der Simons Foundation, die sich die Verbreitung von Forschungsergebnissen aus Mathematik und den Naturwissenschaften zum Ziel gesetzt hat.

50/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 50/2017

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