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Dunkle Materie: Jagd im Halo der Milchstraße

Verbirgt sich die rätselhafte Dunkle Materie im Umfeld unserer Galaxie? Darauf deutete ein rätselhaftes Strahlungssignal hin. Nun haben Forscher noch einmal genauer nachgesehen.
Dunkle Materie sollte einen leuchtenden Vorhof (lila) um unsere Galaxie erzeugenLaden...

Eigentlich beobachtet der europäische Satellit XMM-Newton klar abgegrenzte Objekte im Weltall: heiße Gasnebel, Pulsare, Schwarze Löcher. Doch in den vergangenen Jahren blickte er auch immer wieder dorthin, wo sich scheinbar nichts befindet, in den leeren Raum im Umfeld unserer Milchstraße. Dort könnte sich, so die Theorie mancher Forscher, ein verräterisches Leuchten im Röntgenlicht zeigen. Ein Leuchten, das auf nichts Geringeres als die rätselhafte Dunkle Materie zurückgehen könnte.

Die Dunkle Materie ist das wohl größte Rätsel der modernen Physik. Im Weltall müsste sie fünfmal so häufig sein wie die uns vertraute Materie, aus der alle bekannten Atome und Elementarteilchen bestehen. Das legen viele verschiedene Indizien nahe. Das vielleicht stärkste ist der kosmische Mikrowellenhintergrund, aus dem man die Materieverteilung 380 000 Jahre nach dem Urknall rekonstruieren kann. Ohne Dunkle Materie ergibt dieses Babybild des Kosmos keinen rechten Sinn, da die sichtbare Materie darin zu wenig Schwerkraft aufbringt, als dass sich Sterne und Galaxien hätten entwickeln können.

Suche in Untergrundlaboren und im Weltall

Aber ob es die Dunkle Materie wirklich gibt und woraus sie besteht, ist bis heute unklar. Leider reflektiert sie kein Licht, weshalb man sie auf Teleskopbildern nicht direkt sehen kann. Die Suche nach den zugehörigen Teilchen, also der mikroskopischen Natur der Materieform, läuft jedoch seit Jahren auf Hochtouren. Unter anderem in Untergrundlaboren haben Wissenschaftler ausgeklügelte Fallen aufgestellt, in denen Partikel der Dunklen Materie hängen bleiben müssten. Schließlich sollte es den alles durchdringenden Stoff auch in unserem Sonnensystem geben, und die Erde müsste auf ihrem Weg um die Sonne ständig durch einen See aus Dunkler Materie tauchen.

Andere Wissenschaftler nutzen Teleskope für ihre Suche, und hier kommt der Röntgensatellit XMM-Newton ins Spiel. Gibt es die Dunkle Materie, müsste sie dichte Wolken im Umfeld der Milchstraße und anderer Galaxien bilden. Und die Teilchen darin könnten hin und wieder zerfallen – wobei sie Röntgenstrahlen einer bestimmten Energie abgäben.

Dieser Theorie gehen mehrere Gruppen seit einigen Jahren nach. Zwei von ihnen sind vor Längerem auf ein verdächtiges Signal in nahe gelegenen Galaxienhaufen gestoßen. Aus den Materieansammlungen scheint etwas mehr Röntgenstrahlung mit einer Energie von 3,5 Kiloelektronvolt (keV) zu entweichen, als man erwarten würde.

Das kam unerwartet. Und auch wenn Wissenschaftler gleich mehrere mögliche Erklärungen für die Herkunft der Strahlung entwickelten, beflügelte eine ganz bestimmte Interpretation die Fantasie: Die 3,5-keV-Strahlung könnte vom Zerfall »steriler« Neutrinos mit einer Masse von etwa 7 Kiloelektronvolt stammen. Die hypothetischen Teilchen gelten seit Langem als möglicher Dunkle-Materie-Kandidat.

Einfache Frage, keine klare Antwort

Da die Dunkle Materie in Galaxienhaufen und den Galaxienzentren besonders dicht gepackt sein sollte, wäre zu erwarten, dass ein Zerfallssignal von dort besonders stark ausfällt. Allerdings bevölkern auch jede Menge anderer astrophysikalischer Objekte diese Orte: Sterne, heiße Gaswolken, Supernova-Reste und Schwarze Löcher – alles ebenfalls Röntgenstrahlungsemitter. Weniger exotische Erklärungen für die 3,5-keV-Strahlung kamen daher stets ohne sterile Neutrinos aus.

Röntgensatellit XMM-NewtonLaden...
Röntgensatellit XMM-Newton | Der im Jahr 1999 gestartete Röntgensatellit XMM-Newton ist einer der größten Forschungssatelliten der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA.

Ein Team um Christopher Dessert von der University of Michigan hat diese Möglichkeit nun mit einer speziellen Strategie ausgelotet. Die Forscher durchsuchten das Datenarchiv des 1999 gestarteten XMM-Newton nach Beobachtungen, bei denen das Röntgenteleskop ins Umfeld der Milchstraße blickt, in Regionen, in denen keine sichtbaren Röntgenquellen durchs All treiben. Das verräterische 3,5-keV-Signal der Dunklen Materie müsste hier eigentlich deutlich hervortreten.

Zumindest, wenn man lange genug hinsieht: 30 Millionen Sekunden so genannter Blank-Sky-Beobachtungen trugen die Forscher aus XMMs Archiv zusammen, was fast einem ganzen Jahr pausenloser Beobachtung entspricht. Zum Vergleich: Für das Hubble Extreme Deep Field, auf dem man extrem weit entfernte Galaxien sehen kann, hatte das Hubble-Weltraumteleskop einst nur rund zwei Millionen Sekunden aufgewendet.

Im Fall von XMM-Newton wurde die Mühe leider nicht mit einer Entdeckung belohnt: Das Team um Dessert fand keinen Hinweis auf eine 3,5-keV-Linie, wie die Astrophysiker in der aktuellen Ausgabe von »Science« berichten. Ihre Schlussfolgerung fällt dementsprechend vernichtend aus: Die in den Galaxienhaufen entdeckte Linie stammt von gewöhnlichen astrophysikalischen Objekten und nicht von der Dunklen Materie.

Ein Rückschlag für die Suche nach der Substanz – und nicht der erste: Bislang ist jeder Versuch, die Natur des mysteriösen Stoffs im Experiment aufzuklären, gescheitert. Und das, obwohl es an theoretisch erdachten Kandidatenteilchen nicht mangelt: »Supersymmetrische Wimps«, »Kaluza-Klein-Partikel«, »Axionen« oder eben sterile Neutrinos, alle jeweils mit vielen möglichen Massen und Wirkungsquerschnitten.

Rätselhafter Positronen-Überschuss

Doch weder in Untergrundlaboren noch an Teilchenbeschleunigern – die Dunkle-Materie-Teilchen unter Umständen direkt erzeugen könnten – sind bisher eindeutige Spuren aufgetaucht. Die Suche dort geht weiter, wie auch im Weltall. Die 3,5-keV-Linie ist hier bei Weitem nicht die einzige Fährte, der Wissenschaftler nachgehen. Schon im Jahr 2008 entdeckten Forscher einen unerklärbaren Überschuss an kosmischen Positronen, den Antiteilchen der Elektronen. Auch diese könnten aus dem Zerfall oder der Vernichtung von Dunkle-Materie-Teilchen stammen. Inzwischen hat sich der Überschuss bestätigt, die genauesten Daten stammen von einem auf der Internationalen Raumstation installierten Teilchendetektor.

Doch selbst dieser Befund lässt sich auf mehrere Arten deuten: Die Positronen könnten auch von nahe gelegenen Pulsaren stammen – rasant rotierenden Neutronensternen, die Teilchen ins All feuern. Woher genau bestimmte Positronen kommen, ist für einzelne Exemplare leider kaum zu ermitteln: Als elektrisch geladene Teilchen unterliegen sie dem Einfluss galaktischer Magnetfelder. Sie reisen daher auf chaotischen Zickzackbahnen durch die Milchstraße. Die Richtung, aus der sie die Erde erreichen, lässt also keine Rückschlüsse auf ihren Entstehungsort zu.

Bei energiereichen Lichtquanten aus dem All hat man dieses Problem nicht. Sie fliegen für gewöhnlich in einer geraden Linie – und erlauben es Forschern, die Region ihrer Entstehung zu ermitteln. Neben Röntgenstrahlung könnte daher auch die noch energiereichere Gammastrahlung Hinweise in Sachen Dunkler Materie liefern.

Im Jahr 2012 fanden Wissenschaftler mit dem Fermi-Weltraumteleskop einen Überschuss dieser Strahlungsart im Zentrum der Milchstraße vor, die Energie der Lichtquanten lag hier bei 130 000 Kiloelektronvolt. Doch das Signal ist schwach, statistisch fragwürdig – und stammt ebenfalls aus einer Himmelsregion, in der eine Vielzahl astrophysikalischer Quellen ein Dunkle-Materie-Signal vortäuschen kann.

Die Suche dreht sich im Kreis

So dreht sich die Suche nach den Teilchen der Dunkle-Materie seit Jahren im Kreis: keine Entdeckungen in Untergrundlaboren, keine Produktion neuer Teilchen an Teilchenbeschleunigern wie dem Genfer Large Hadron Collider, bestenfalls mehrdeutige Resultate bei der Suche nach Strahlungssignaturen aus dem Weltall.

Aber die Hoffnung stirbt zuletzt, auch bei der Dunklen Materie. So haben Forscher längt neue Ideen ausgetüftelt, wie sie den rätselhaften Stoff doch noch aufspüren könnten. Wenn er sich in Sternen wie der Sonne ansammelt, könnten von dort beispielsweise besonders energiereiche Neutrinos entweichen, die man mit speziellen Observatorien wie IceCube oder Antares womöglich nachweisen könnte.

So enttäuschend das Ergebnis von Dessert und seinen Kollegen also sein mag: Es bedeutet zunächst nur das Aus der sterilen 7-keV-Neutrinos als viel versprechende Kandidaten, aber keineswegs das Ende der Dunklen Materie als solche. Die Vielzahl hypothetischer Teilchen und ihrer Eigenschaften macht es einerseits leicht, den Überblick zu verlieren. Andererseits gibt sie Forschern Hoffnung, dass sich die Dunkle Materie irgendwann doch noch zeigen wird.

14/2020

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 14/2020

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