Mainzer Physiker: Kosmisches Röntgenlicht als Hinweis auf dunkle Materie

Physiker schlagen neue Theorie für die Dunkle Materie vor –
Ausgangspunkt ist die Beobachtung ungewöhnlicher Röntgenstrahlung von
Galaxien

Die Dunkle Materie gibt immer mehr Rätsel auf. Weltweit suchen Physiker
seit Jahrzehnten nach diesen Materieteilchen, die kein Licht aussenden
und für unser Auge daher unsichtbar sind. Ihr Vorhandensein wurde in den
1930er Jahren postuliert, um astronomische Beobachtungen zu erklären.
Während sichtbare Materie wie die, aus der die Sterne oder auch die Erde
bestehen, nur etwa fünf Prozent des Universums ausmachen, müsste der
Anteil Dunkler Materie den Schätzungen zufolge bei 23 Prozent liegen –
aber bis heute gibt es trotz intensiver Suche keinerlei Anzeichen, um
welche Teilchen es sich dabei handeln könnte. Wissenschaftler der
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben nun einen Vorschlag
unterbreitet, um die mysteriösen Partikel an einer ganz anderen Stelle
zu suchen
als bisher. Geeignete Kandidaten wären demnach keine sehr schweren
Teilchen, wie bislang oft vermutet, sondern im Gegenteil extrem leichte
Teilchen – fast
hundert Mal leichter als ein Elektron.

Die Existenz Dunkler Materie wird vorwiegend damit begründet, dass die
Rotation von Sternen um das Zentrum ihrer Galaxie ansonsten nicht wie
beobachtet
erfolgen könnte. Einer der besonders favorisierten Kandidaten für Dunkle
Materie ist das WIMP oder „Weakly Interacting Massive Particle“, nach
dem zum
Beispiel im italienischen Untergrundlabor „Gran Sasso“ gesucht wird.
Aber neuere Publikationen aus der Astroteilchenphysik stellen die WIMPs
zunehmend
in Frage. „Auch wir sehen uns momentan verstärkt nach Alternativen um“,
erklärt Prof. Dr. Joachim Kopp von der JGU.

Der Physiker ist mit seinen Kollegen Vedran Brdar, Jia Liu und Xiao-Ping
Wang einer Beobachtung nachgegangen, die 2014 von unabhängigen Gruppen
berichtet wurde: Am Himmel zeigte sich an verschiedenen Stellen eine
bisher unbekannte Spektrallinie im Röntgenbereich bei einer Energie von
3,5 Kiloelektronenvolt
(keV). Diese ungewöhnliche Röntgenstrahlung von Galaxien und
Galaxienhaufen könnte ein Hinweis auf Dunkle Materie sein. Dieser
Zusammenhang ist an sich
nicht neu, denn es wurde früher schon in Erwägung gezogen, dass Dunkle
Materie zerfällt und dabei Röntgenstrahlung aussendet. Die Gruppe um
Joachim Kopp am Mainzer Exzellenzcluster „Precision Physics, Fundamental
Interactions and Structure of Matter“ (PRISMA) verfolgt jedoch einen
anderen Ansatz.

Röntgenstrahlung aus der Annihilation von Dunkler Materie

Anstelle von Zerfall haben die Wissenschaftler ein Szenario
durchgerechnet, bei dem zwei Dunkle-Materie-Teilchen aufeinandertreffen
und miteinander zerstrahlen,
ein Prozess, der als Annihilation bezeichnet wird und beispielsweise
auch beim Zusammentreffen eines Elektrons mit seinem Antiteilchen, dem
Positron, stattfindet.
„Früher ist man davon ausgegangen, dass Paarvernichtung bei derart
leichter Dunkler Materie nicht beobachtbar ist“, erklärt Kopp. „Wir
haben unser neues
Modell berechnet und mit experimentellen Daten verglichen, es passt
alles viel besser zusammen als in älteren Modellen.“

Dunkle-Materie-Teilchen wären demnach Fermionen mit einer Masse von nur
wenigen Kiloelektronenvolt, häufig auch als „sterile Neutrinos“
bezeichnet. Ein
solches leichtes Teilchen gilt eigentlich als problematisch, weil es die
Entstehung von Galaxien nicht hinreichend erklärt. „Diese Bedenken
können wir
ausräumen“, so Kopp. „Unser Modell hat einen eleganten Ausweg gefunden.“
Entscheidend ist zudem die Annahme, dass die Annihilation der Dunklen
Materie
ein zweistufiger Prozess ist: Es wird zunächst ein Zwischenzustand
gebildet, der dann seinerseits in die beobachtete Röntgenstrahlung
zerstrahlt. „Wir
zeigen in unseren Berechnungen, dass sich die resultierende
Röntgensignatur sehr gut mit den Beobachtungen deckt und damit eine
neuartige Erklärung dafür
bietet“, so Kopp.

Darüber hinaus ist das neue Modell so allgemein, dass es auch dann einen
interessanten Ansatz für die Suche nach Dunkler Materie liefern würde,
falls die
2014 entdeckte Spektrallinie andere Ursachen hat. Theoretische und
experimentelle Physiker der JGU arbeiten aktuell an dem vorgeschlagenen
ESA-Projekt
e-ASTROGAM mit, das astrophysikalische Röntgenstrahlung mit bisher
unerreichter Genauigkeit untersuchen könnte.

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