Sterne bewegen sich an den Rändern der Milchstraße langsamer als erwartet – eine langsame Bewegung, die sich laut Wissenschaftlern nur erklären lässt, wenn unsere Karte der Galaxien mit Dunkler Materie fehlerhaft ist. Die spezifischen Geschwindigkeiten von Sternen an den Rändern dieser Galaxien galten bisher als unumstößlicher Beweis für die Existenz Dunkler Materie in Galaxien. Denn Astronomen können die Rotationskurve einer Galaxie messen, die die Umlaufgeschwindigkeiten der Sterne in Abhängigkeit von ihrer Entfernung vom galaktischen Zentrum darstellt.
Gäbe es keine Dunkle Materie (und somit keinen Gravitationseinfluss), würden Sterne mit zunehmender Entfernung vom Zentrum der Galaxie langsamer werden. In den 1960er und frühen 1970er Jahren stellten die Astronomen Vera Rubin und Kent Ford jedoch fest, dass die Rotationskurven von Galaxien flach verlaufen. Das heißt, die Umlaufbahn der Sterne nimmt mit der Entfernung nicht ab. Sie behalten ihre Geschwindigkeit bei. Wissenschaftler vermuten, dass dies daran liegt, dass Galaxien von Halos aus Dunkler Materie umgeben sind. Diese Halos sind vermutlich im Zentrum der Galaxie am dichtesten; es ist die Gravitation dieser Dunklen Materie, die die Sterne in Bewegung hält.
Aber hier ist der Haken: Da wir uns innerhalb unserer Galaxie befinden und keinen Überblick über sie haben, hat sich die Messung der Rotationskurve unserer Milchstraße als eine größere Herausforderung erwiesen.
Genaue Entfernungsangaben sind notwendig, um die Entfernung verschiedener Sterne am Rande des galaktischen Zentrums zu bestimmen. Im Jahr 2019 leitete Anna-Christina Eilers vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Forschungsteam, das mithilfe der Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) die Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in bis zu 80.000 Lichtjahren Entfernung vom galaktischen Zentrum kartierte. Wie erwartet, fanden die Forscher eine flache Rotationskurve mit einem kaum wahrnehmbaren Geschwindigkeitsabfall lediglich bei den entferntesten Sternen dieser Stichprobe. Die Ergebnisse der Studie wurden am 8. Januar 2025 in der Fachzeitschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society veröffentlicht.
Die Milchstraße, wie sie von unserem Standort innerhalb der Milchstraße aus durch die Raumsonde Gaia beobachtet wird. ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 IGO.
Neue Ergebnisse, die Gaia-Messungen mit Daten von APOGEE (dem Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment), einem bodengebundenen Teleskop in New Mexico, USA, kombinieren, das die physikalischen Eigenschaften von Sternen misst, um ihre Entfernung genauer abzuschätzen, haben es jedoch tatsächlich ermöglicht, die Rotationskurve der Milchstraße für Sterne in viel größeren Entfernungen als je zuvor, bis zu etwa 100.000 Lichtjahren, zu messen.
„Was uns wirklich überrascht hat, war, dass diese Kurve bis zu einer bestimmten Entfernung flach verlief und dann steil abfiel“, erklärte Lina Nesib, Physikprofessorin am MIT, in einer Stellungnahme. „Das bedeutet, dass sich die äußeren Sterne etwas langsamer drehen als erwartet, was ein sehr unerwartetes Ergebnis ist.“
„In diesen Entfernungen befinden wir uns direkt am Rand der Galaxie, wo die Sterne zu verblassen beginnen“, fügte Anna Froebel vom Massachusetts Institute of Technology in derselben Erklärung hinzu. „Niemand hat bisher untersucht, wie sich Materie in diesem äußeren Bereich der Galaxie bewegt, wo wir uns im Wesentlichen im Vakuum befinden.“
Die verringerte Umlaufgeschwindigkeit in diesen Entfernungen deutet darauf hin, dass sich im Zentrum unserer Galaxie weniger Dunkle Materie befindet als erwartet. Das Forschungsteam beschreibt den Halo der Dunklen Materie der Galaxie als einen „Kern“, der an einen Apfel erinnert. Das Team argumentiert außerdem, dass die Gravitation der dort vorhandenen Dunklen Materie nicht ausreicht, um sich bis zu 100.000 Lichtjahre auszudehnen und die Bewegung der Sterne mit derselben Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
„Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu anderen Messungen“, sagte Nesib. „Irgendwo läuft etwas schief, und es wird sehr interessant sein, genau herauszufinden, wo, um ein wirklich vollständiges Bild der Milchstraße zu erhalten.“
Der nächste Schritt, so Necib, besteht darin, mithilfe hochpräziser Computersimulationen verschiedene Verteilungen dunkler Materie innerhalb unserer Galaxie zu modellieren, um diejenige zu ermitteln, die die abnehmende Rotationskurve am besten wiedergibt. Modelle zur Galaxienentstehung könnten dann versuchen zu erklären, wie die Milchstraße ihre einzigartige, kernlose Verteilung dunkler Materie erlangte – und warum andere Galaxien dies nicht taten.
Ein schwaches Leuchten in der Milchstraße könnte ein Hinweis auf Dunkle Materie sein. Das jahrhundertealte Rätsel der Dunklen Materie, die Galaxien zusammenhält, hat einen neuen, wichtigen Hinweis erhalten.
Wissenschaftler sagen, sie seien dank neuer Modelle, die nahelegen, dass das schwache Leuchten im Zentrum der Milchstraße ein lang gesuchtes Zeichen für dunkle Materie sein könnte, der Bestätigung der Existenz dieser schwer fassbaren Substanz einen Schritt näher gekommen.
Dunkle Materie, die etwa 27 % der gesamten Materie im Universum ausmacht, zählt nach wie vor zu den größten Rätseln der Kosmologie. Sie absorbiert und reflektiert kein Licht und ist daher für Teleskope völlig unsichtbar. Trotz jahrzehntelanger Experimente – von unterirdischen Teilchendetektoren bis hin zu Weltraumobservatorien – ist es Wissenschaftlern bisher nicht gelungen, sie direkt nachzuweisen. Neue Computermodelle, die von Mourous Team entwickelt wurden, könnten uns nun jedoch der Lösung dieses Rätsels einen Schritt näher bringen. Die Ergebnisse wurden am 16. Oktober 2025 in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die dunkle Materie im Zentrum der Milchstraße keine perfekte Kugelform aufweist, wie Wissenschaftler lange annahmen. Stattdessen erscheint sie abgeflacht, fast eiförmig – eine Form, die dem Muster der mysteriösen Gammastrahlen, die vom Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA beobachtet wurden, sehr ähnlich ist.
Dies bestätigt die Ergebnisse von Forschungen, die 2008 begannen, als das Fermi-Teleskop erstmals ein breites, diffuses Leuchten hochenergetischen Lichts nahe dem galaktischen Kern nachwies, das sich über etwa 7.000 Lichtjahre erstreckte. Das Signal war deutlich heller, als es die bestehenden Modelle erklären konnten.
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Einige Wissenschaftler vermuten, dass diese Strahlen ein Nebenprodukt von Kollisionen und Vernichtungen unsichtbarer Dunkle-Materie-Teilchen, sogenannter WIMPs (kurz für „schwach wechselwirkende massive Teilchen“), sein könnten. Andere argumentieren, dass sie von schnell rotierenden Sternenresten, den sogenannten Millisekundenpulsaren, stammen – uralten, schnell rotierenden Neutronensternen, die Strahlungsbündel wie kosmische Leuchttürme aussenden.
Die Pulsartheorie erschien plausibel, da die Gammastrahlung flach und konvex wirkte, ähnlich dem sternenreichen Zentrum der Milchstraße. Würde dunkle Materie hinter dem Leuchten stecken, hätten Wissenschaftler ein gleichmäßigeres, runderes Muster erwartet.
Dieses Panorama erstreckt sich über 300 Lichtjahre durch das Zentrum unserer Milchstraße. Könnte es dort draußen Spuren von Dunkler Materie geben? NASA
Mourou und sein Team beschlossen, beide Ideen zu testen. Mithilfe leistungsstarker Supercomputer rekonstruierten sie die Entstehung der Milchstraße, einschließlich Milliarden von Jahren heftiger Kollisionen und Verschmelzungen mit kleineren Galaxien. Die Forscher entdeckten, dass diese gewaltigen Ereignisse tiefgreifende Spuren in der Verteilung der Dunklen Materie im Kern der Galaxie hinterlassen haben.
Laut der neuen Studie erscheint der simulierte Halo dunkler Materie aufgrund dieser komplexen Vorgeschichte nicht mehr kugelförmig. Stattdessen nimmt er eine abgeflachte, eiförmige Gestalt an, die mit dem vom Fermi-Teleskop beobachteten Gammastrahlenmuster übereinstimmt.
Die gewonnenen Daten deuten darauf hin, dass Dunkle Materie weiterhin ein vielversprechender Kandidat für die Ursache des mysteriösen Leuchtens der Milchstraße ist. Die Forscher betonen jedoch, dass dies die Existenz von Pulsaren nicht völlig ausschließt. Beide Möglichkeiten seien nun „praktisch nicht mehr zu unterscheiden“, so das Fazit der Wissenschaftler.
Sollte der Überschuss tatsächlich auf Kollisionen dunkler Materie zurückzuführen sein, wäre dies der erste indirekte Beweis für die Existenz von WIMP-Teilchen, einem der Hauptkandidaten für dunkle Materie.
Endgültige Antworten könnten sich Ende der 2020er-Jahre ergeben, wenn das Cherenkov Telescope Observatory (CTAO) von seinen beiden Standorten in Chile und Spanien aus den Himmel absucht. Laut den Forschern wird diese Anlage Gammastrahlen mit einer deutlich höheren Auflösung als Fermi beobachten können, was ihnen möglicherweise helfen wird, zwischen hochenergetischen Pulsarschwärmen und niederenergetischen, annihilierenden Dunkle-Materie-Teilchen zu unterscheiden.
Mourou fügte hinzu, dass Gammastrahlenbeobachtungen kleinerer Zwerggalaxien, die die Milchstraße umkreisen und deren Kerne ebenfalls dichte Ansammlungen Dunkler Materie enthalten, beide Möglichkeiten weiter überprüfen könnten. Wissenschaftler sind von der Existenz Dunkler Materie überzeugt. Die Suche nach ihrem Nachweis zählt wohl zu den komplexesten und spannendsten Herausforderungen der modernen Physik.
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