Im Weltraum – der erste direkte Beweis für Dunkle Materie aus Japan?

Das Fermi-Weltraumteleskop der NASA hat möglicherweise zum ersten Mal direkte Beweise für dunkle Materie gefunden. Tomonori TotaniEin Astronom der Universität Tokio hat im Zentrum der Milchstraße Gammastrahlen mit einer Energie von 20 Gigaelektronenvolt nachgewiesen, die mit der Kollision theoretischer WIMP-Teilchen übereinstimmen. Das Energiespektrum entspricht den Vorhersagen: Teilchen mit einer 500-fach größeren Masse als ein Proton annihilieren und setzen dabei hochenergetische Photonen frei.

Die Entdeckung wurde veröffentlicht in der Zeitschrift für Kosmologie und AstroteilchenphysikDies entfacht die wissenschaftliche Debatte neu. Experten des INFN und der Fermi-LAT-Kollaboration mahnen zur Vorsicht.

Fritz Zwicky und das unsichtbare Gerüst des Universums

in 1933, der Schweizer Astronom Fritz Zwicky beobachtete den Coma-Cluster¹Anwendung des Virialsatzes²Er berechnete, dass sich die Galaxien für die von ihnen enthaltene sichtbare Masse zu schnell bewegten. Etwa die 400-fache Menge an leuchtender Materie war nötig, um zu verhindern, dass sich der Galaxienhaufen im Weltraum zerstreute. Er nannte es dunkle MaterialienDunkle Materie. Kollegen hielten ihn für einen Exzentriker. Erst ein halbes Jahrhundert später und dank Vera Rubins Beobachtungen der galaktischen Rotationskurven wurde diese geisterhafte Materie, die das Universum zusammenhält, aber unsichtbar bleibt, ernst genommen.

Heute wissen wir (oder glauben zu wissen), dass 27 % des Universums aus dunkler Materie bestehen. 68 % sind dunkle Energie. Nur 5 % sind gewöhnliche Materie. Aber In fast einem Jahrhundert ist es niemandem gelungen, die Partikel, aus denen diese 27 % bestehen, direkt zu beobachten.Bis jetzt.

WIMP-Partikel: Wenn zwei Geister kollidieren

Die am weitesten verbreitete Hypothese beschreibt dunkle Materie als aus WIMPs bestehend: Schwach wechselwirkende massive TeilchenWIMPs sind massive Teilchen, die nur schwach wechselwirken. Sie sind schwerer als Protonen, aber nahezu unmöglich nachzuweisen, da sie nicht mit der elektromagnetischen Kraft interagieren. Sie absorbieren, reflektieren oder emittieren kein Licht. Wenn jedoch zwei WIMPs kollidieren, vernichten sie sich gegenseitig und setzen dabei andere Teilchen frei. einschließlich hochenergetischer Gammastrahlenphotonen.

Totani analysierte 15 Jahre an Daten des Fermi-Teleskops und konzentrierte sich dabei auf den galaktischen Halo, eine Region weit außerhalb der Ebene der Milchstraße, in der das astrophysikalische „Rauschen“ am geringsten ist. Er fand einen statistisch signifikanten Überschuss an Gammastrahlen mit einem Maximum bei 20 GeV, die kugelförmig um das galaktische Zentrum angeordnet sind. Genau dort sollte die Dunkle Materie konzentriert sein. „Die Emissionskomponente entspricht der Form, die man vom Halo der Dunklen Materie erwartet“, erklärt Totani. Es ist ein bisschen so, als würde man den perfekten Fußabdruck an einem Ort finden, an dem noch nie jemand entlanggegangen ist.

Die Vorsicht der wissenschaftlichen Gemeinschaft

Luca Latronico, Forscher am INFN und Mitglied der Fermi-LAT-Kollaboration, mahnt zur Vorsicht. „Fermi-Beobachtungen belegen seit 2009 einen hohen Photonenfluss aus dem galaktischen Zentrum. Im Laufe der Jahre wurde diese Emission unterschiedlich interpretiert: als nicht aufgelöste Pulsare oder als WIMP-Annihilation.“ Das Problem ist, dass Totani zu Recht darauf hinweist, dass diese Interpretation im Widerspruch zum Fehlen von Beobachtungen ähnlicher Emissionen von anderen bekannten Dunkle-Materie-Ansammlungen, wie etwa Zwerggalaxien, steht.

Miguel Ángel Sánchez Conde, Forscher der NASA Fermi-LAT-Kollaboration, formuliert es noch deutlicher: „Sollte sich dies bestätigen, wäre es eines der größten …“ Entdeckungen in der Geschichte der WissenschaftLeider birgt die Arbeit, obwohl sie ernsthafte Beachtung verdient, große Unsicherheiten. Es ist unmöglich zu sagen, dass dies das erste Mal ist, dass dunkle Materie beobachtet wurde.

Totani selbst räumt ein, dass eine Bestätigung nötig sein wird. „Um alle davon zu überzeugen, dass es sich tatsächlich um Dunkle Materie handelt, wird der entscheidende Faktor der Nachweis von Gammastrahlen mit demselben Spektrum aus anderen Regionen, wie beispielsweise Zwerggalaxien, sein. Die Sammlung weiterer Daten vom Fermi-Satelliten und großen bodengebundenen Teleskopen wie dem CTAO wird von entscheidender Bedeutung sein.“

Ein Jahrhundert des Wartens darauf, das Unsichtbare zu sehen

Stehen wir nun vor der ersten direkten Beobachtung dunkler Materie oder nicht? Die Antwort erfordert Zeit, Daten und Gegenprüfungen. Totani fand ein Signal, das perfekt mit den theoretischen Vorhersagen für WIMPs übereinstimmt.Doch die Wissenschaft kann nicht mit einem einzigen Datensatz arbeiten, egal wie detailliert dieser auch sein mag. Sie erfordert Reproduzierbarkeit, Übereinstimmung mit anderen Beobachtungen und den Ausschluss alternativer Hypothesen.

Sollte sich dies bestätigen, würde es bedeuten, dass WIMPs die wahre Natur der Dunklen Materie ausmachen und wir ein neues Elementarteilchen entdeckt haben, das nicht im Standardmodell der Physik enthalten ist. Ein weiterer Riss in dem theoretischen Bauwerk, das wir über ein Jahrhundert errichtet haben. Sollte es sich als falsch erweisen, wäre es ein weiteres unbeschriebenes Blatt in der Geschichte einer Substanz, die ein Viertel des Universums ausmacht und sich dennoch so gut versteckt, dass es fast wie ein kosmischer Scherz erscheint.

Fritz Zwicky, den seine Kollegen wegen seiner Unerträglichkeit aus jeder Perspektive den „kugelförmigen Bastard“ nannten, wartet noch immer auf seine endgültige Rache. Fast hundert Jahre, nachdem er das beschrieben hat dunkle Materialien Das, was den Coma-Cluster zusammenhielt, haben wir vielleicht endlich sein Gesicht gesehen. Oder zumindest seinen Schatten.

1. Der Coma-Galaxienhaufen, auch Coma-Berenikes-Haufen genannt (Abell 1656), ist ein großer Galaxienhaufen, der sich etwa 350 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Haar der Berenike befindet. Er ist einer der dichtesten und massereichsten bekannten Galaxienhaufen und erstreckt sich über einen Durchmesser von mehr als 20 Millionen Lichtjahren. ↩︎
2. In der Astrophysik erlaubt uns das Virialtheorem, die Gesamtmasse von Systemen wie Galaxienhaufen (zum Beispiel des Coma-Haufens) zu schätzen, indem wir die Geschwindigkeiten der Galaxien in ihnen und ihre mittleren Entfernungen messen. ↩︎