Die extremen Bedingungen in Neutronensternen machen sie zu idealen Laboren für die Erforschung der Physik unter Bedingungen, die nirgendwo sonst im Universum zu finden sind. Wissenschaftler vermuten zudem, dass einige tote Sterne aus dem dichtesten Material im bekannten Universum, sogenannte Neutronensterne, als Fallen für Dunkle-Materie-Teilchen fungieren könnten, die bei hoher Geschwindigkeit kollidieren und sich gegenseitig vernichten. Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Braune Zwerge, auch als gescheiterte Sterne bekannt, als Gravitationsfallen für Dunkle Materie fungieren und dieses exotische Material zur Wechselwirkung zwingen könnten.
Wissenschaftler planen, die „Uhren“ toter Sterne zu nutzen, um Licht auf die geheimnisvollste Entität des Universums zu werfen: die dunkle Energie.
Bei diesen Zeitmessern handelt es sich um Pulsare, also schnell rotierende Neutronensterne, die aus dem Tod von Sternen mit mindestens der achtfachen Sonnenmasse entstehen. Die extremen Bedingungen in Neutronensternen machen sie zu idealen Laboren für die Erforschung der Physik unter Bedingungen, die nirgendwo sonst im Universum zu finden sind.
Sogenannte „Millisekundenpulsare“ können sich mit Hunderten von Umdrehungen pro Sekunde drehen und von ihren Polen elektromagnetische Strahlung aussenden, wie kosmische Leuchttürme, die den Weltraum durchdringen. Ihren Namen erhielten sie, weil diese Neutronensterne bei ihrer ersten Entdeckung zu pulsieren schienen und ihre Helligkeit zunahm, je direkter ihre Strahlen auf die Erde gerichtet waren. Die Ergebnisse des Teams wurden am 15. Juli auf dem National Astronomy Meeting (NAM) 2024 an der University of Hull vorgestellt.
Diagramm, das die durch dunkle Materie verursachte Gravitationslinsenwirkung zeigt. Robert Lee
Die ultrapräzise Synchronisierung der Helligkeitsänderungen von Pulsaren im Millisekundenbereich ermöglicht deren Einsatz als kosmische Uhren in sogenannten Pulsar-Zeitmessantennen. Diese Antennen sind so präzise, dass sie Gravitationsstörungen im Gefüge von Raum und Zeit messen können, die zu einer vierdimensionalen Einheit namens „Raumzeit“ kombiniert werden. Dies könnte ein idealer Weg für die Suche nach dunkler Materie sein.
„Die Wissenschaft hat sehr präzise Methoden zur Zeitmessung entwickelt“, sagte der Pulsar-Zeitmesser-Forscher John Losecco von der University of Notre Dame. „Auf der Erde gibt es Atomuhren und im Weltraum Pulsare.“
Dunkle Materie ist so mysteriös, weil sie weder mit Licht noch mit normaler Materie interagiert. Und wenn doch, dann ist sie sehr schwach und wir können sie nicht erkennen. „Normale Materie“ besteht aus Atomen, die aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen, die mit Licht und Materie interagieren. Daher wissen Wissenschaftler, dass Dunkle Materie aus anderen Teilchen bestehen muss.
Obwohl dunkle Materie nicht mit Licht interagiert, übt sie eine Gravitationskraft aus. Ihre Existenz lässt sich aus der Art und Weise ableiten, wie diese Kraft auf Licht und auch auf gewöhnliche Materie wirkt. Diesen Effekt dieser Gravitationskraft auf Licht wollten Losecco und seine Kollegen mit Pulsaren untersuchen.
Künstlerische Darstellung einer Reihe von Pulsaren, die von Gravitationswellen beeinflusst werden, die von einem binären supermassiven Schwarzen Loch in einer fernen Galaxie erzeugt werden. Aurora Simonnet/NANOGrav
Nach Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie krümmen Objekte mit Masse das Raumzeitgefüge selbst, und die Schwerkraft entsteht durch diese Krümmung. Wenn Licht diese Krümmung durchläuft, verändert sich auch seine Flugbahn. Dies kann die Reisezeit des Lichts verändern, sodass Licht desselben entfernten Objekts die Erde zu unterschiedlichen Zeiten erreicht und es theoretisch „verlangsamt“ (die Lichtgeschwindigkeit ändert sich nicht, nur die zurückgelegte Distanz).
Dunkle Materie besitzt Masse, und daher können Klumpen dieser mysteriösen Materieform auch die Raumzeit krümmen. Dadurch wird der Weg des Lichts von weit entfernten Objekten gekrümmt und seine Ankunftszeit verzögert, wenn es Klumpen dunkler Materie durchquert. Dieser Effekt wird als „Gravitationslinse“ bezeichnet, wobei der dazwischenliegende Körper, der den Weg des Lichts verändert, als „Gravitationslinse“ bezeichnet wird.
Losecco und seine Kollegen untersuchten Daten von 65 Pulsaren im Parkes Pulsar Timing Array. Sie fanden etwa zwölf Fälle, die auf Veränderungen und Verzögerungen in der Zeitmessung der Pulsare hindeuteten, die typischerweise auf Nanosekunden genau ist.
Dies deutet darauf hin, dass die Radiowellen dieser toten sternähnlichen kosmischen Leuchtfeuer durch einen gekrümmten Raum reisen, der durch eine unsichtbare Massenkonzentration irgendwo zwischen Pulsar und Teleskop verursacht wird. Wissenschaftler spekulieren, dass es sich bei diesen unsichtbaren Massen um „Klumpen“ dunkler Materie handeln könnte.
„Wir nutzen die Tatsache, dass sich die Erde, die Sonne, der Pulsar und sogar die dunkle Materie bewegen“, sagte Losecco. „Wir sehen Abweichungen in den Ankunftszeiten, die durch Änderungen der Entfernung zwischen der beobachteten Masse und der Sichtlinie zu unserem ‚Uhr‘-Pulsar verursacht werden.“
Diese Abbildung zeigt einen schnell rotierenden Neutronenstern, der von einem blauen Magnetfeld umgeben ist, das Radiowellenstrahlen aussendet. NASA Goddard/Walt Feimer
Die vom Team beobachteten Abweichungen sind recht gering. Ein Körper mit der Masse der Sonne würde beispielsweise eine Verzögerung der Radiowellen des Pulsars von etwa zehn Mikrosekunden verursachen. Die vom Team beobachteten geschätzten Abweichungen in der Verzögerung durch Dunkle Materie sind 10.000-mal kleiner.
„Eine der Entdeckungen deutet auf eine Verzerrung der Sonnenmasse um etwa 20 Prozent hin“, sagte Professor Losecco. „Dieses Objekt könnte ein Kandidat für Dunkle Materie sein.“
Ein Nebeneffekt der Forschung des Teams war die Verbesserung der Genauigkeit der Daten des Parkes Pulsar Timing Array, die gesammelt werden, um nach Hinweisen auf niederfrequente Gravitationsstrahlung zu suchen.
Klumpen dunkler Materie können diese Daten stören oder „rauschen“. Die Identifizierung und Beseitigung dieses Rauschens wird Wissenschaftlern helfen, den Datensatz besser für die Suche nach niederfrequenten Störungen in der Raumzeit, sogenannten Gravitationswellen, zu nutzen. Dies könnte Gravitationsstrahlung von weiter entfernten und damit früheren Verschmelzungen Schwarzer Löcher und vielleicht sogar primordiale Gravitationswellen im Hintergrund enthüllen, die vom Urknall übrig geblieben sind.
„Die wahre Natur der Dunklen Materie bleibt ein Rätsel“, sagte Losecco. „Diese Studie wirft neues Licht auf die Natur der Dunklen Materie und ihre Verteilung in der Milchstraße und könnte die Genauigkeit der Pulsardaten verbessern.“
Die Wissenschaftler spekulieren, dass einige tote Sterne aus dem dichtesten Material im bekannten Universum, sogenannte „Neutronensterne“, als Fallen für Dunkle-Materie-Teilchen fungieren könnten, die mit hoher Geschwindigkeit kollidieren und sich gegenseitig vernichten. Der Vernichtungsprozess wiederum, so das Team, heizt die toten Sterne wahrscheinlich von innen auf.
Insgesamt ist Dunkle Materie für Forscher ein heikles Thema, denn obwohl sie etwa 85 % der Materie im Universum ausmacht, ist sie praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert. Dunkle Materie scheint auch nicht mit „normaler Materie“ aus Protonen, Neutronen und Elektronen zu interagieren, oder wenn doch, sind diese Wechselwirkungen selten und schwach. Wir haben sie nie beobachtet. Dies wirft eine interessante Frage auf: Interagiert Dunkle Materie mit sich selbst? Eine Studie von Bell und Kollegen aus dem Jahr 2024 ist im arXiv-Repository verfügbar.
Nicole Bell, theoretische Physikerin an der Universität Melbourne, interessiert sich für die Selbstinteraktionen dunkler Materie. Diese treten in gewöhnlicher Materie auf, wenn ein Elektron und sein Antiteilchen, ein Positron, aufeinandertreffen und sich vernichten, wobei Energie freigesetzt wird. Dunkle Materie ist elektrisch neutral, was bedeutet, dass jedes Teilchen, aus dem sie besteht, theoretisch seine eigenen Antiteilchen besitzen könnte.
Das James-Webb-Weltraumteleskop der NASA, das in dieser künstlerischen Illustration zu sehen ist, kann Wärmestrahlung von Neutronensternen erkennen, was auf die Vernichtung dunkler Materie hindeutet. NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez
Und wie bei der gewöhnlichen Materievernichtung sollte es auch bei der Begegnung von Dunkle-Materie-Partikeln zur Vernichtung Dunkler Materie kommen, und Neutronensterne könnten die ideale extreme Umgebung für derartige Wechselwirkungen sein.
Annihilation ist die Kollision von Teilchen und Antiteilchen und deren gegenseitige Zerstörung. Dies würde passieren, wenn Dunkle Materie ihr eigenes Antiteilchen wäre, wie es in den am häufigsten untersuchten Modellen Dunkler Materie angenommen wird. Der Einfang und die Annihilation Dunkler Materie in Neutronensternen würden die Wärme liefern, die den Stern vor zu starker Abkühlung bewahren würde.
Das bedeutet, dass Neutronensterne, wenn sie als „Dunkle-Materie-Fallen“ fungieren können, eine thermische Signatur aussenden könnten. Lässt sich diese nachweisen, könnten Neutronensterne als rudimentäre „Dunkle-Materie-Detektoren“ fungieren und Wissenschaftlern helfen, diese weitgehend unsichtbare Materieform zu verfolgen.
Ein Neutronenstern entsteht, wenn einem Stern mit mindestens der achtfachen Sonnenmasse der Brennstoff für die Kernfusion in seinem Kern ausgeht. Damit endet die nach außen gerichtete Kraft des Strahlungsdrucks, die den Stern Millionen, manchmal Milliarden von Jahren lang gegen die nach innen gerichtete Kraft seiner eigenen Schwerkraft gestützt hat.
Ein Querschnitt eines Neutronensterns voller exotischer Quarkmaterie. Aber könnten diese toten Sterne etwas noch Exotischeres verbergen? Jyrki Hokkanen/CSC
Infolgedessen kollabiert der Kern des Sterns und verursacht eine Supernova-Explosion. Diese Schockwelle reißt die äußeren Schichten des sterbenden Sterns sowie den größten Teil seiner Masse weg und hinterlässt einen Sternkern mit einer Masse von ein- bis zwei Sonnenmassen, der auf eine Breite von etwa 20 Kilometern kollabiert.
Das Zusammenpressen eines Körpers, der mehr als einer halben Million Erden entspricht, in einen Körper, der in Chicago passen würde, hat natürlich enorme Auswirkungen auf das Material im Kern des Sterns. Elektronen und Protonen werden zusammengestoßen und erzeugen ein Meer aus Neutronen – Teilchen, die normalerweise nur im Kern von Atomen vorkommen. Dieses Meer aus Neutronen, aus dem ein Neutronenstern besteht, ist so dicht, dass ein Esslöffel davon, würde er auf die Erde fallen, mehr als eine Milliarde Tonnen wiegen würde. Das entspricht etwa dem Gewicht des Mount Everest.
Neutronensterne bestehen somit aus der dichtesten Materie im bekannten Universum. Aus diesem Grund glauben Wissenschaftler, dass ihre Gravitationskraft stark genug sein könnte, um dunkle Materie festzuhalten, die zwar nicht mit Licht und Materie interagiert, aber sehr wohl mit der Schwerkraft.
Bell erklärt, dass die Vernichtung dunkler Materie vermutlich häufig vorkam, als das 13,8 Milliarden Jahre alte Universum weniger als eine Sekunde alt war. Im modernen Universum hingegen sei sie selten. Die einzigen Ausnahmen seien Regionen mit großen Mengen dunkler Materie.
Und wenn sich dunkle Materie tatsächlich in den Tiefen von Neutronensternen ansammeln kann, fanden Bell und seine Kollegen heraus, dass dies genau die richtige, an dunkler Materie reiche Umgebung bieten könnte, um ihre Vernichtung im alten Universum zu ermöglichen.
„Letztendlich könnte es in einem kleinen Bereich genug dunkle Materie geben, sodass in diesen Sternen eine signifikante Vernichtung dunkler Materie stattfinden kann“, sagte Bell.
Abbildung eines Neutronensterns im Vergleich zur Insel Manhattan. NASA Goddard Space Flight Center
Bell fügte hinzu, dass Wissenschaftler bei Experimenten zur Dunklen Materie in Laboren auf der Erde nach Signalen von Dunkle-Materie-Partikeln suchen, die mit normaler Materie interagieren, Neutronensterne in dieser Hinsicht jedoch einen natürlichen Vorteil haben.
Im Labor suchen wir nach Dunkle-Materie-Teilchen, die mit Atomkernen kollidieren. Doch wenn das möglich ist, dann sollte Dunkle Materie auch mit Neutronen und Protonen in Neutronensternen kollidieren können. Und Neutronensterne haben viele Neutronen.
Bei der Untersuchung von Neutronensternen und dunkler Materie könnte die enorme Schwerkraft von Neutronensternen eine weitere Bedingung schaffen, die die Selbstwechselwirkung von Dunkle-Materie-Partikeln im Inneren dieser toten Sterne noch wahrscheinlicher macht.
Dunkle Materie wird beim Einfall in einen Neutronenstern auf Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dies ist nützlich, da es die Geschwindigkeit der Wechselwirkungen erhöhen kann. Dies ermöglicht uns möglicherweise die Untersuchung bestimmter Arten von Wechselwirkungen mit dunkler Materie, die in Experimenten auf der Erde kaum zu beobachten sind.
Bei der Vernichtung dunkler Materie wird thermische Energie in diesen Fallen toter Sterne freigesetzt. Daher untersuchte das Team auch, wie lange es dauert, bis die Neutronensterne und die darin gefangene dunkle Materie einen Zustand erreichen, der als „thermisches Gleichgewicht“ bezeichnet wird. Dies ist der Punkt, an dem die beiden Substanzen die gleiche Temperatur erreichen und keine weitere Wärme zwischen ihnen übertragen werden kann.
Diese Studie zeigte, dass ein mit dunkler Materie gefüllter Neutronenstern je nach verwendetem Modell bereits nach 10.000 Jahren oder sogar nach nur einem Jahr ein thermisches Gleichgewicht erreichen könnte. Kosmisch betrachtet ist das nur ein Wimpernschlag.
Um diese Theorie zu bestätigen, müssen Forscher die Temperatur von Neutronensternen messen. Würden diese extrem toten Sterne heißer als erwartet sein, wäre dies ein Beleg dafür, dass sich in ihren Kernen tatsächlich Dunkle-Materie-Teilchen vernichten. Eine solche Entdeckung wäre jedoch nicht einfach, da nur ältere, kühlere Neutronensterne Wärmestrahlung abgeben, die nicht durch andere Strahlung unterdrückt wird. Dafür wäre das leistungsstärkste Beobachtungsinstrument erforderlich, das die Menschheit je ins All geschickt hat: das James-Webb-Weltraumteleskop.
(Links) Künstlerische Darstellung der Verteilung der Dunklen Materie in einem Neutronenstern (rechts). NASA Goddard Space Flight Center/VOLKER SPRINGEL, MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR ASTROPHYSIK
Die Neutronensterne, die uns am meisten interessieren, sind sehr kalt und schwer zu erkennen. „Die Temperatur dieser Sterne erzeugt Strahlung im nahen Infrarot, die möglicherweise vom James Webb Space Telescope (JWST) beobachtet werden könnte.“
Das mangelnde Verständnis der Natur von Neutronensternen könnte bedeuten, dass dieses Modell der dunklen Vernichtung leichter an der Art von Sternüberresten getestet werden könnte, die nach dem Tod kleinerer Sterne wie der Sonne übrig bleiben: Weiße Zwerge.
Neutronensterne wären aufgrund ihrer extremen Dichte gut geeignet, dunkle Materie einzufangen. Allerdings sind sie auch relativ wenig erforscht. „Ähnliche Ideen könnten auch auf andere Sterne zutreffen, die wir besser verstehen, wie etwa Weiße Zwerge.“
Wenn die Theorie stimmt, wird sie nicht nur Licht auf die dunkle Materie werfen, sondern den Wissenschaftlern auch helfen, die Entwicklung von Neutronensternen besser zu verstehen.
Dunkle Materie kann von Sternen eingefangen werden und sich in deren Innerem ansammeln. In diesem Fall kann sie auch mit sich selbst interagieren und sich vernichten, wobei Energie freigesetzt wird, die den Stern aufheizt.
„Dunkle Zwerge“ klingen vielleicht wie der Name einer neuen Rasse von Sauron verehrenden Mittelerde-Bewohnern, doch tatsächlich handelt es sich um einen neuen Typ von Sternenkörpern, die vermutlich im Zentrum von Galaxien existieren. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden 2025 im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) veröffentlicht.
Das Präfix „dunkel“ bezieht sich hier nicht auf den Dunklen Lord, sondern auf die Dunkle Materie, eine mysteriöse Substanz, die 85 % der Materie im Universum ausmacht. Diese Form der Materie bleibt praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht, wohl aber mit der Schwerkraft interagiert.
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass Braune Zwerge, auch „gescheiterte Sterne“ genannt, als Gravitationsfallen für Dunkle Materie fungieren und diese exotische Materie miteinander interagieren lassen. Dadurch wird Energie freigesetzt, die diese gescheiterten Sterne aufheizt und sie von Braunen Zwergen in Dunkle Sterne verwandelt. Und je mehr Dunkle Materie diese Dunklen Zwerge ansammeln, desto mehr Energie geben diese Sterne auf ihrer dunklen Seite ab.
Wenn diese Annahme zutrifft und dunkle Zwerge tatsächlich das Zentrum der Milchstraße und anderer Galaxien bewohnen, in denen dunkle Materie am häufigsten vorkommt, gibt dies den Wissenschaftlern einen deutlichen Hinweis darauf, aus welchen hypothetischen, noch unentdeckten Teilchen diese mysteriöse Form von Materie bestehen könnte.
Illustration zweier Brauner Zwerge vor dem Hintergrund der Perseus-Molekülwolke. Robert Lee
Dies liegt daran, dass nur bestimmte Dunkle-Materie-Teilchen miteinander interagieren und sich „selbst zerstören“, wobei Energie freigesetzt wird. Das vielleicht auffälligste Beispiel für solche selbstinteragierenden Teilchen sind schwach wechselwirkende massive Teilchen (WIMPs).
„Dunkle Materie interagiert mit der Gravitation, sodass sie von Sternen eingefangen werden und sich in ihnen ansammeln kann“, sagte Teammitglied Jeremy Sackstein von der Universität von Hawaii. „Wenn das passiert, kann sie auch mit sich selbst interagieren und sich vernichten, wodurch Energie freigesetzt wird, die den Stern aufheizt.“
Braune Zwerge haben sich den unglücklichen Spitznamen „gescheiterte Sterne“ verdient, weil sie zwar wie Sterne aus einer Wolke aus kollabierendem Gas und Staub entstehen, es ihnen jedoch nicht gelingt, genügend Masse anzusammeln, um die Fusionsreaktion zwischen Wasserstoff und Helium in ihrem Kern auszulösen.
Dieser Prozess versorgt Hauptreihensterne wie die Sonne mit Energie. Braune Zwerge leuchten schwach, weil in ihrem Inneren Kernfusion stattfindet und sie unter ihrer eigenen Schwerkraft kollabieren. Doch im Zentrum von Galaxien könnten diese gescheiterten Sterne eine alternative Energiequelle haben.
„Dunkle Zwerge sind Objekte mit sehr geringer Masse, etwa acht Prozent der Sonnenmasse“, erklärte Sackstein. „Diese Objekte sammeln dunkle Materie, die ihnen hilft, zu dunklen Zwergen zu werden.“
Dunkle Materie interagiert gravitativ, jedoch nicht mit anderer Materie, sodass sie ohne großen Widerstand in die Zentren von Galaxien fallen kann. Das bedeutet, dass die Zentren von Galaxien reich an dunkler Materie sind und daher die wahrscheinlichsten Orte für die Ansiedlung von Dunklen Zwergen darstellen.
„Je mehr dunkle Materie vorhanden ist, desto mehr davon kann man einfangen“, sagte Sackstein. „Und je mehr dunkle Materie sich im Inneren eines Sterns befindet, desto mehr Energie wird bei seiner Vernichtung freigesetzt.“
Dunkle Materie kann Dunkle Zwerge nur durch Wechselwirkungen mit sich selbst mit Energie versorgen. Auch wenn diese Wechselwirkungen selten oder „schwach“ sind (was erklärt, warum wir sie bisher nicht entdeckt haben), könnten sie dort, wo Dunkle Materie durch Gravitation komprimiert wird, wie im Kern eines Braunen Zwergs, häufig auftreten.
Illustration von dunkler Materie, die einen „dunklen Zwergstern“ verschlingt. Robert Lee
Die Existenz Dunkler Zwerge könnte daher Kandidaten für nicht wechselwirkende Dunkle Materie sowie zu leichte Teilchen ausschließen. Dazu könnten auch die derzeit führenden Kandidaten für Dunkle Materie gehören: Axionen.
„Damit Dunkle Zwerge existieren können, muss Dunkle Materie aus WIMPs bestehen, also aus schweren Teilchen, die so stark miteinander interagieren, dass sie sichtbare Materie erzeugen“, sagte Sackstein.
Natürlich wäre all dies reine Spekulation, wenn das Team keine Möglichkeit fände, dunkle Zwerge zu erkennen und sie von braunen Zwergen, die keine dunkle Materie verwenden, oder gewöhnlichen Sternen zu unterscheiden.
Forscher schlagen einen bestimmten chemischen Marker vor, der ein verräterisches Zeichen für dunkle Zwerge sein könnte: das Isotop Lithium-7, das leicht verbrennt und daher schnell von normalen Sternen absorbiert wird.
„Es gab mehrere Marker, aber wir schlugen Lithium-7 vor, weil es ein wirklich einzigartiger Effekt wäre“, sagte Sackstein. „Wenn man also ein Objekt findet, das wie ein Dunkler Zwerg aussieht, könnte man nach diesem Lithium suchen, denn bei einem Braunen Zwerg oder so etwas wäre es nicht vorhanden.“
Das Team ist davon überzeugt, dass leistungsstarke Teleskope wie das James Webb Space Telescope (JWST) der NASA bereits in der Lage sind, kühle, lichtschwache dunkle Zwerge zu erkennen.
Sackstein argumentiert, dass die Entdeckung eines Dunklen Zwergs im Zentrum der Milchstraße ein „ziemlich überzeugender“ Beweis dafür wäre, dass es sich bei WIMPs um Dunkle-Materie-Teilchen handelt.
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„Ich glaube nicht, dass wir mit leichten Dunkle-Materie-Kandidaten wie dem Axion so etwas wie einen Dunklen Zwerg bekommen werden. Sie sammeln sich nicht im Inneren von Sternen an“, sagte der Forscher. „Wenn wir einen Dunklen Zwerg finden, wäre das ein starker Beweis dafür, dass Dunkle Materie schwer ist und stark mit sich selbst interagiert, aber nur schwach mit ‚normaler‘ Materie. Dazu gehören die WIMP-Klassen, aber auch einige andere, exotischere Modelle.“
„Die Beobachtung eines Dunklen Zwergs lässt uns nicht den endgültigen Schluss zu, dass Dunkle Materie ein WIMP ist, aber es würde bedeuten, dass es sich entweder um ein WIMP handelt oder um etwas, das sich in jeder Hinsicht wie ein WIMP verhält.“
Gibt es Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie und sich selbst? Die Antwort könnte in riesigen Galaxienhaufen liegen, die kollidieren.
Dunkle Materie ist bekanntermaßen asozial: Sie weigert sich, mit Licht und „normaler“ Materie zu interagieren, was sie praktisch unsichtbar macht. Wissenschaftler sind sich jedoch nicht sicher, ob Dunkle Materie mit sich selbst interagiert.
Wenn die Teilchen der Dunklen Materie miteinander interagieren, kollidieren und sich möglicherweise sogar gegenseitig zerstören, deutet eine neue Studie darauf hin, dass Galaxienhaufen als natürliche Kollider für Dunkle Materie genutzt werden könnten. Diese Methode zum Nachweis Dunkler Materie würde auf der Begegnung und Kollision zweier riesiger Galaxiengruppen beruhen.
Da diese Galaxienhaufen mit dunkler Materie gefüllt sind, könnten Astronomen diese Orte kosmischer Kollisionen untersuchen, um mögliche Anzeichen für die Wechselwirkung dunkler Materie mit sich selbst zu erkennen. Die Forschungsergebnisse des Teams wurden im April 2024 in der Zeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
„Auch Galaxienhaufen werden von dunkler Materie dominiert“, sagte Jacqueline McCleary, Assistenzprofessorin für Physik an der Northeastern University. „80 bis 90 Prozent ihrer Masse besteht aus dunkler Materie, und je massereicher das Objekt, desto schneller bewegen sich die Dunkle-Materie-Teilchen, aus denen es besteht. Im Wesentlichen untersuchen wir Kollisionen bei sehr hohen Energien.“
Dieser Mangel an Wechselwirkungen ist einer der Gründe, warum Dunkle Materie so schwer zu verstehen ist. Obwohl sie mehr als 80 % des materiellen Universums ausmacht und eine Gravitationskraft ausübt, die Galaxien buchstäblich davon abhält, auseinanderzufliegen, ist Dunkle Materie praktisch unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert. Ebenso schlüpfen Dunkle-Materie-Partikel wie kosmische Geister durch Materiepartikel.
Die Abbildung zeigt eine Galaxie, die in ein kosmisches Netz aus unsichtbarer dunkler Materie verstrickt ist. Robert Lee
Diese antisozialen Eigenschaften führten zu der Erkenntnis, dass Dunkle Materie nicht aus Atomen bestehen kann, die aus Elektronen, Protonen und Neutronen bestehen, die mit Licht und untereinander interagieren. Dies war der Beginn der Suche nach geeigneten Kandidatenteilchen für Dunkle Materie.
„Alles im Universum besteht aus Teilchen, Wellen und Feldern. Daher ist die Grundannahme, dass dunkle Materie ein Teilchen sein muss“, sagte McCleary. „Die Frage ist, um welche Art von Teilchen es sich handelt, denn der Begriff ‚Teilchen‘ ist sehr vage.“
Die Kandidaten für diese Teilchen reichen von hypothetischen „schwach wechselwirkenden massiven Teilchen“ (WIMPS) über „massive kompakte Halo-Objekte“ (MACHOs) bis hin zu winzigen, nahezu masselosen Teilchen, die als Axionen oder sterile Neutrinos bezeichnet werden. Sogar winzige Schwarze Löcher, die vom Urknall übrig geblieben sind, sogenannte primordiale Schwarze Löcher, gelten als Kandidaten für Dunkle Materie.
Das Problem besteht darin, dass alle diese Verdächtigen nicht nachweisbar sind und daher frustrierend hypothetisch bleiben.
Aufgrund der Phantomnatur der Dunklen Materie können wir Dunkle-Materie-Partikel nicht einfach in einen Teilchenbeschleuniger auf der Erde laden, beispielsweise in den Large Hadron Collider (LHC), um sie miteinander zu verschmelzen und ihre Zusammensetzung zu bestimmen.
Während der LHC durch die Spaltung von Protonen und die Beobachtung der daraus resultierenden Teilchenströme einige Geheimnisse des sogenannten „Standardmodells der Teilchenphysik“ entschlüsselt hat, scheint die dunkle Materie, die sich jenseits dieses Modells befindet, außerhalb der Reichweite des leistungsstärksten Teilchenbeschleunigers der Welt zu liegen.
Die einzige Möglichkeit, tatsächlich auf die Existenz dunkler Materie zu schließen, besteht darin, die eine Wechselwirkung zu betrachten, an der sie beteiligt zu sein scheint. Dunkle Materie hat Masse und krümmt daher die Raumzeit (die vierdimensionale Vereinigung von Zeit und Raum), was ihr einen gravitativen Einfluss verleiht.
Ein Blick auf den Galaxienhaufen Abell 1689 mit violetten Galaxien und hellen Sternen, die riesige Mengen dunkler Materie offenbaren. NASA
Dieser Einfluss kann die Bewegung von gewöhnlicher Materie und Licht steuern und wir können ihn erkennen. Durch diesen indirekten Ansatz wissen wir, dass Galaxien von riesigen Halos aus dunkler Materie umgeben sind und dass dunkle Materie auch in großen Mengen in der Nähe der Kerne von Galaxien vorhanden ist.
Wissenschaftler vermuten außerdem, dass die Gruppierung von Galaxien in riesigen Haufen auf mächtige Stränge unsichtbarer dunkler Materie zurückzuführen ist, die sich wie ein unsichtbares Netz einer kosmischen Spinne durch das Universum ziehen. Dieses kosmische Netz trägt auch dazu bei, dass einzelne Galaxien an Masse zulegen und wachsen, da seine Gravitationskraft auf gewöhnliche Materie wirkt.
McCleary und seine Kollegen haben vorgeschlagen, den künstlichen Teilchenbeschleuniger zugunsten eines natürlichen aufzugeben. Sie argumentieren, dass es bei einer Kollision von Galaxienhaufen und der darin enthaltenen Dunklen Materie mit ausreichender Kraft zu nachweisbaren Wechselwirkungen zwischen Dunkler Materie kommen könnte – sofern Dunkle Materie tatsächlich mit sich selbst wechselwirkt.
Diese Wechselwirkungen können einfach sein, wie etwa das Zusammenstoßen und Abprallen von Dunkle-Materie-Teilchen, oder sie können zur gegenseitigen Vernichtung und Freisetzung von Energie führen. Treffen Teilchen und Antiteilchen aufeinander, wie etwa ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron, vernichten sie sich gegenseitig und setzen dabei die in ihnen enthaltene Energie frei. Einige Modelle der Dunklen Materie gehen davon aus, dass es sich bei ihr um ihr eigenes Antiteilchen handelt. Eine Form der Wechselwirkung könnte also die Selbstvernichtung sein, die auftritt, wenn zwei Dunkle-Materie-Teilchen aufeinandertreffen.
Um diese Idee zu testen, erstellte das Team Simulationen von Galaxienhaufenkollisionen auf Computern, die leistungsstark genug waren, um die Kollisionen bis hin zu den Teilchenwechselwirkungen zu untersuchen. Dazu mussten die Simulationen mithilfe physikalischer Modelle der Wechselwirkung von Sternen, Gas und dunkler Materie programmiert werden.
Mithilfe dieser und ähnlicher Simulationen können Wissenschaftler einen Plan für die Beobachtung realer Dunkle-Materie-Kollisionen erstellen. Daraus können Forscher Hinweise gewinnen, die ihnen helfen, einige der grundlegenden Eigenschaften eines hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchens zu bestimmen. Dies könnte den Kreis möglicher Dunkle-Materie-Teilchen eingrenzen.
„Wenn man eine gewisse Selbstinteraktion messen oder eine Obergrenze dafür festlegen kann, schließt man Teilchenklassen aus, die dunkle Materie sein könnten, oder lässt sie zu“, sagte McCleary. „Wenn man eine gewisse Selbstinteraktion misst, führt man eine andere Teilchenklasse ein. Man lässt eine andere Klasse von Theorien zu.“
„Dieses Papier legt außerdem nahe, dass man, wenn man beispielsweise 100 verschmelzende Galaxienhaufen untersucht, die Möglichkeit hat, die Selbstinteraktion der Dunklen Materie bis zu einem bestimmten Schwellenwert zu messen.“
„Auf den ersten Blick erscheint es kontraintuitiv, denn wir wollen immer eine positive Antwort: Was ist es?“, schloss McCleary. „Aber in diesem Fall sind wir gezwungen zu fragen: Was ist es nicht? Es ist ein Ausschlussverfahren.“
Siehe auch... Vollständige Liste der HTML/Javascript-Ereignishandler mit Beispielen Liste der erforderlichen Dokumente für eine Website in der Russischen Föderation |
