Ist das der Moment? Wissenschaftler entdecken ein Signal, das Dunkle Materie sein könnte

Das Universum ist voller Rätsel, aber nur wenige sind so hartnäckig – oder so faszinierend – wie die Dunkle Materie. Diese schwer fassbare Substanz, die erstmals 1933 vom Astronomen Fritz Zwicky vorgeschlagen wurde, weigert sich, sich an die Regeln zu halten: Sie leuchtet nicht, absorbiert kein Licht und interagiert in keiner Weise mit Licht. Tatsächlich können wir es überhaupt nicht sehen. Und doch formt seine unsichtbare Anziehungskraft Galaxien und deutet darauf hin, dass da draußen etwas Massives – und Geheimnisvolles – ist.

Nach fast 100 Jahren und mit Hilfe des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA haben Forscher möglicherweise endlich zum ersten Mal Dunkle Materie „gesehen“.

Sollte sich dies bewahrheiten, wäre das eine bedeutende Entwicklung für die Wissenschaft. Die Fähigkeit der Dunklen Materie, sich vor den Augen der Öffentlichkeit zu verstecken, ist legendär. Es kann von keinem Werkzeug gesehen werden, das jemals von Menschen hergestellt wurde, da dunkle Materie kein Licht jeglicher Art aussenden, absorbieren oder reflektieren kann, so wie Menschen und alle unsere Werkzeuge Dinge sehen. Das macht es beeindruckend schwierig, dunkle Materie zu finden.

Tomonori Totani, ein Astronomieprofessor an der Universität Tokio, glaubt, dass er dort Erfolg gehabt haben könnte, wo so viele vor ihm gescheitert sind. In eine Studie Laut Totani, der am 25. November im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht wurde, könnte er dunkle Materie gefunden haben, indem er das Nebenprodukt zweier miteinander kollidierender Teilchen dunkler Materie beobachtete.

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Der Schlüssel zu dieser Entdeckung ist die theoretische Existenz von sogenannten schwach wechselwirkenden massiven Teilchen, kurz WIMPs. WIMPs sind Teile dunkler Materie, die größer als Protonen sind und nicht mit anderen Teilchentypen interagieren. Wenn zwei WIMPs miteinander kollidieren, geht die wissenschaftliche Theorie davon aus, dass sie sich gegenseitig vernichten und die daraus resultierende Reaktion Gammastrahlen erzeugt.

Totani nutzte Daten des Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskops der NASA, um herauszufinden, was seiner Meinung nach die Gammastrahlenemissionen dieser Vernichtungsereignisse sind, die, wenn sie zutreffen, die Existenz dunkler Materie beweisen würden – oder Wissenschaftler zumindest auf den richtigen Weg bringen würden, ihre Existenz zu bestätigen.

Warum ist dunkle Materie so schwer zu finden?

Die NASA beschreibt Dunkle Materie als „der unsichtbare Klebstoff, der das Universum zusammenhält“. Dunkle Materie ist überall. Theorien besagen, dass nur 5 % der Materie das gewöhnliche Material ist, das Sie und ich sehen können, während dunkle Materie 27 % des Kuchens ausmacht. Der Rest ist dunkle Energie noch ein weiteres Rätsel Das muss die Wissenschaft noch lösen.

Wenn es mehr als fünfmal so viel Dunkle Materie gibt wie normale Materie, warum ist sie dann so schwer zu erkennen? Die kurze Antwort lautet: Dunkle Materie interagiert nicht mit Materie auf eine Weise, die Menschen mit unserer aktuellen Technologie erkennen können.

Das ist nicht ganz unnatürlich. Auch die Wissenschaft hat es schwer, Schwarze Löcher zu entdecken. Licht kann einem Schwarzen Loch nicht entkommen, daher ist es unmöglich, eines direkt zu beobachten. Stattdessen haben Wissenschaftler mehrere Methoden entwickelt, um das Vorhandensein eines Schwarzen Lochs anhand seiner Auswirkungen auf die Umgebung zu erkennen.

Cygnus X-1 – das erste jemals entdeckte Schwarze Loch – wurde dank einer sogenannten Akkretionsscheibe gefunden. Akkretionsscheiben sind wirbelnde Wolken aus Gas, Staub, Plasma und anderen Teilchen, die sich um Schwarze Löcher bilden und dazu neigen, große Mengen Röntgenstrahlung auszusenden. Forscher fanden diese intensiven Röntgenstrahlen und kamen zu dem Schluss, dass sie von einem Schwarzen Loch stammten. Im erstes Foto eines Schwarzen Lochs Bei der Aufnahme im Jahr 2019 handelt es sich bei dem sichtbaren Teil um die Akkretionsscheibe des Schwarzen Lochs, nicht um das Schwarze Loch selbst.

Der englische Philosoph und Geistliche John Michell stellte 1783 erstmals die Theorie über die Existenz von Schwarzen Löchern auf. Das bedeutet, dass die Menschheit 236 Jahre brauchte, um ein Foto eines Schwarzen Lochs zu machen, und selbst dann können wir das Schwarze Loch auf dem Bild nicht sehen. Wir wissen nur, dass es da ist, weil wir seine Akkretionsscheibe sehen können.

Dunkle Materie ist viel schwieriger zu entdecken. Es interagiert überhaupt nicht mit dem elektromagnetischen Spektrum, einschließlich sichtbarem Licht. Ähnlich wie bei Schwarzen Löchern hat die Wissenschaft ihre Auswirkungen auf ihre Umgebung genutzt, um ihre Existenz zu beweisen.

Dieses Phänomen begann im Jahr 1933, als der Astronom Fritz Zwicky es beobachtete Galaxien im Coma-Cluster bewegten sich zu schnell für die Menge der darin enthaltenen gewöhnlichen Materie. Zwicky kam zu dem Schluss, dass es eine zweite Art unsichtbarer Materie geben musste, die für mehr Gravitationskraft sorgte und als eine Art Klebstoff fungierte, der den Cluster zusammenhielt.

Diese Theorie wurde im Laufe der Zeit verfeinert und es kamen zusätzliche Beweise hinzu. Ein Beispiel ist der Gravitationslinseneffektdas ist eine durch die Schwerkraft verursachte Lichtbeugung. Der Bullet Cluster ist das beste Beispiel dafür, dass dies möglicherweise durch Dunkle Materie verursacht wird, es konnte jedoch noch nicht endgültig bewiesen werden.

Der Studienautor erklärt, was er herausgefunden hat

Im Laufe der Jahrzehnte haben Wissenschaftler verschiedene vorgeschlagen potenzielle Kandidaten dafür, was Teilchen der Dunklen Materie eigentlich sind. Eine solche Theorie ist die WIMP. Diese theoretischen Teilchen sind viel größer als Photonen und haben eine besondere Eigenschaft. Wenn sie kollidieren, sagt die Wissenschaft voraus, dass sie sich gegenseitig zerstören, was zu einem Ausbruch von Gammastrahlen führt.

Die NASA hat ein kurzes Video hier Das zeigt, wie das theoretisch funktionieren würde. Diese Gammastrahlungsemissionen glaubt Totani gefunden zu haben.

„Wir haben Gammastrahlen mit einer Photonenenergie von 20 Gigaelektronenvolt (oder 20 Milliarden Elektronenvolt, eine riesige Energiemenge) entdeckt, die sich in einer haloähnlichen Struktur zum Zentrum der Milchstraße hin ausbreitet“, so Totani sagte Phys.org. „Die Gammastrahlungsemissionskomponente entspricht weitgehend der Form, die man vom Halo aus dunkler Materie erwartet.“

Hier gibt es ein wenig auszupacken, also habe ich Totani um weitere Informationen gebeten. Er erzählte mir, dass die Sterne in unserer Galaxie „in einer Scheibe verteilt sind, während der Halo aus dunkler Materie sie vermutlich kugelförmig umgibt“. Die aus der theoretischen Dunklen Materie erzeugte Strahlung würde von ihrer kugelförmigen Position aus in die Scheibe eindringen und Totani eine Vorstellung davon geben, wonach und wo im Allgemeinen gesucht werden muss.

Als er dort nachsah, konnte er Strahlung finden, die seiner Meinung nach „mit den Vorhersagen der Dunklen Materie übereinstimmt“.

Anders ausgedrückt: Die Gammastrahlen waren dort, wo sie sein sollten, auf dem Photonenenergieniveau, das die Wissenschaft vorhergesagt hatte, und die Emissionen hatten die Form, die man für dunkle Materie erwartet.

Die Wissenschaft für immer verändern

Totani fand Gammastrahlen dort, wo sie sein sollten, und in der vorhergesagten Stärke, es muss also dunkle Materie sein, oder?

Nicht ganz.

Obwohl diese Ergebnisse vielversprechend sind, beweisen sie nicht unbedingt die Existenz dunkler Materie. Der erste Schritt wird darin bestehen, Totanis Schlussfolgerungen von unabhängigen Forschern überprüfen zu lassen.

Totani ist sich dessen bewusst und möchte, dass unabhängige Forscher die Daten untersuchen, um zu versuchen, seine Erkenntnisse zu reproduzieren. Dazu gehört die Messung von Gammastrahlungsemissionen aus anderen Quellen, etwa Zwerggalaxien, im Universum, um herauszufinden, ob etwas anderes seine Ergebnisse erklären kann.

Derzeit können seine Ergebnisse nicht einfach durch bekannte Quellen von Gammastrahlungsemissionen erklärt werden, aber das bedeutet nicht, dass es keine gibt. Die Daten müssen immer wieder getestet werden, und die Forscher müssen weitere Informationen einbringen, um zu überprüfen, ob seine Ergebnisse tatsächlich mit der Dunklen Materie zusammenhängen.

Die Wissenschaft wird sich damit Zeit lassen, denn wenn Totani tatsächlich Dunkle Materie finden würde, wären die Auswirkungen enorm. Er weist darauf hin, dass die Entdeckung eines neuen Elementarteilchens, das nicht im aktuellen Standardmodell der Teilchenphysik enthalten ist, erhebliche Auswirkungen auf die grundlegende Theorie der Physik haben wird. Und die Entdeckung der Dunklen Materie würde dazu beitragen, andere kosmologische Rätsel wie das zu lösen Natur der dunklen Energiedie unsichtbare Kraft, die dafür sorgt, dass sich das Universum schneller ausdehnt.

„Wenn das stimmt, ist die wahre Natur der Dunklen Materie, lange Zeit das größte Geheimnis der Kosmologie, enthüllt“, sagte Totani.