Institut für Astronomie & Astrophysik

Indirekte Suche nach Dunkler Materie

Bei der Berechnung des Massen- und Energiegehaltes des Universums wird deutlich, dass eine große Menge andere Materie, die sich von der gewöhnlichen (baryonischen) Materie unterscheidet, benötigt wird, um mit den üblichen kosmologischen Modellen übereinzustimmen. Baryonische Materie besteht aus so genannten Baryonen, zu denen vor allem Protonen und Nuetronen gehören. Neben der baryonischen Materie werden zwei weitere Komponenten benötigt, damit die Beobachtungen den Theorien enstsprechen: dunkle Materie und dunkle Energie.

Während die gewönliche Materie nur 5% des Universums ausmacht, macht die dunkle Materie etwa 27% und die dunkle Energie etwa 68% des Massen- und Energiegehaltes des Universums aus.

Aus den beobachteten Fluktuationen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung berechneter Materie- und Energiegehalt des Universums. [Abb. ESA/Planck]

Dunkle Materie

Dunkle Materie (DM) ist eine hypothetische Materie, die sich von gewöhnlicher (baryonischer) Materie unterscheidet. Der Begriff "dunkel" bezieht sich auf die Tatsache, dass die dunkle Materie außer der Gravitationswechselwirkung keine bekannte Wechselwirkung hat und somit im elektromagnetischen Spektrum unsichtbar bleibt.

Die folgenden indirekten Beweise für die Existenz dunkler Materie wurden gefunden:

  • Die flachen Rotationskurven von Galaxien. Die Berechnungen der beobachteten Rotation der Sterne in Bezug auf ihren Abstand vom Zentrum macht deutlich, dass zusätzliche Materie benötigt wird, um die erhaltenen Kurven zu erklären (siehe Bild unten).
  • Das Masse/Leuchtkraft-Verhältnis von Galaxien. Das Verhältnis der beobachteten Masse von Galaxien und ihrer Helligkeit pro Stern ist zu hoch im Vergleich zu dem, was erwartet wird (z.B. im Vergleich zur Sonne).
  • Verteilung von heißem Gas in Galaxienhaufen. Ein viel größeres Gravitationspotential als von der sichtbaren Masse erwartet wird, ist notwendig, um das Gas in den Clustern zu halten.
  • Schwache Gravitationslinsen. Gravitationslinsen sind Lichtbeugungseffekte, die durch eine Verteilung der Materie zwischen einer entfernten Lichtquelle (z.B. einer Galaxie) und dem Beobachter verursacht werden. Wenn die Massenverteilung eines Clusters mit Hilfe des schwachen Gravitationslinseneffekts gemessen wird, übersteigt sie die sichtbaren Massenschätzungen vollständig.
  • Die Fluktuationen der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (engl. Cosmic Microwave Background (CMB)). Der CMB ist Reststrahlung aus dem frühen Universum, etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall, siehe Bild unten. Kosmologische Modelle können die Fluktuationen des CMB nur erklären, wenn sie sowohl dunkle Materie als auch dunkle Energie in die Rechnungen einbeziehen.

Diese Beobachtungen erfordern unweigerlich die Modifikation der bekannten Physik. Es gibt zwei Möglichkeiten der Modifikation:

  • Modifizieren der Gravitationstheorie (z.B. über MOdefied Newtonian Dynamics (MOND)) oder
  • Modifizieren des Standardmodells der Elementarteilchen durch Hinzufügen eines "Teilchens der dunklen Materie".

Die Modifikation der Gravitationstheorie steht jedoch vor bestimmten Problemen hinsichtlich der Erklärung der CMB Fluktuationen und der Beobachtung der sichtbaren und dunklen Materie in entfernten astrophysikalischen Objekten, wie dem Bullet Cluster von Galaxien (siehe Bild unten).

Von der Planck Mission beobachtete Anisotropien des CMB. Die Temperatur-Fluktuationen sind deutlich erkennbar. [Abb. ESA/Planck]
Beispiel für die beobachtete Umlaufgeschwindigkeit von Sternen in einer Galaxie in Bezug auf ihren radialen Abstand vom Zentrum. Die Kurve zeigt den erwarteten Verlauf der Newtonschen Dynamik. Um die beobachtete Diskrepanz zu erklären, ist eine erhebliche Menge an zusätzlicher Materie oder eine Modifikation der Gravitationstheorie erforderlich. [Abb. Wikimedia Commons]
Das Bullet-Cluster, der bisher deutlichste Beweis für die Existenz von DM. In rot ist die Röntgenstrahlung des Gases im Cluster dargestellt, blau zeigt die Massenverteilung, die mit dem Gravitationslinseneffekt ermittelt wurde. Es ist deutlich, dass die Masse des Clusters stark vom emittieren Licht abweicht. Daher wird angenommen, dass es sich hier um das Ergebnis der Kollision zweier Galaxienhaufen handelt. [Abb. Röntgenbild: NASA/CXC/CfA/m.Markevitch et al.; Optisch: NASA/STScl;Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.; Lensing Map: NASA/STScl; ESO WFI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al.]

Die Suche nach Dunkler Materie

Wenn die Modifikation der Gravitationstheorie ausgeschlossen ist, ist die natürliche Erklärung für die dunkle Materie, dass es ein Teilchen gibt, welches nicht im Standardmodell der Elementarteilchen enthalten ist, das sehr schwach ist oder nicht mit anderen Teilchen des Standardmodells interagiert. Interessanterweise können aus der Vielzahl der möglichen Ergänzungen zum Standardmodell mit Kandidatenpartikeln der dunklen Materie nur 3 Ergänzungen auch andere offene Fragen der modernen Physik und Astrophysik lösen - Axionen, sterile Neutrinos und WIMPs, welche alle im Folgenden erläutert werden.

Die Astrophysik kann uns keine Möglichkeit bieten, die Parameter (z.B. Masse) von DM-Partikeln direkt zu messen. Die einzige Möglichkeit besteht darin, diese Parameter indirekt aus Beobachtungen abzuleiten, die mit anderen astrophysikalischen Erklärungen nicht zu vereinbaren sind.

Wenn es ein DM-Teilchen gibt, ist der einfachste Weg es zu erkennen die Beobachtung seines Zerfalls oder seiner Vernichtung zu Photonen. Dies sollte ein entsprechendes Merkmal in den elektromagnetischen Spektren von DM-dominierten Objekten hinterlassen.

Allerdings können DM-Profile große Unsicherheiten aufweisen, insbesondere in der Nähe des Zentrums von DM-dominierten Objekten, von denen natürlich der größte Teil des DM-Signals erwartet wird. Darüber hinaus können DM-Zerfalls-/Annihilisierungs-Spektralmerkmale leicht mit normalen astrophysikalischen Linien/Features oder instrumentellen Artefakten verwechselt werden. Außerdem ist das erwartete Merkmal in der Regel schwach und erfordert die Analyse großer Datenmengen. Allerdings kann ein erkanntes schwaches Merkmal in einem großen Datensatz auch durch die verwendeten Instrumente und Geräte verursacht werden und somit auf einen systematischen Fehler und nicht auf ein tatsächliches Merkmal zurückzuführen sein.

Datenanalyse und -modellierung

Am IAAT wird die indirekte DM-Suche nach drei der aussichtsreichsten Kandidaten für DM durchgeführt: Axionen, sterile Neutrinos und WIMPs. Die Grundidee besteht darin, eine elektromagnetische Signatur für einen der Kandidaten zu finden, indem man verschiedene Arten von astrophysikalischen Objekten analysiert und numerische Studien durchführt.

Axionen:

Axionen sind hypothetische Teilchen, die zunächst postuliert wurden, um die Existenz bestimmter Symmetrien der starken Kernkraft zu erklären. Interessanterweise sind sie aufgrund ihrer sehr geringen Masse und sehr schwachen Wechselwirkung auch gute Kandidaten für DM. Einige Theorien sagen voraus, dass sie durch zwei Photonenzerfälle und durch die Umwandlung in Photonen in einem Magnetfeld (Primakoff-Effekt) nachweisbar sein sollte, siehe Bild unten.

In der Astrophysik konnten Axionen z.B. durch Merkmale in Pulsar- oder Magnetarspektren und/oder zusätzliche Polarisation von Spektren dieser Quellen nachgewiesen werden. Forscher am IAAT untersuchen das Vorkommen solcher Merkmale in verschiedenen astrophysikalischen Quellen.

Sterile Neutrinos:

Alle Teilchen im Standardmodell der Elementarteilchen mit Ausnahme des Neutrinos können eine positive ("rechtshändige") und negative ("linkshändige") Projektion ihres Spin auf ihren Impuls haben. Standard-Neutrinos können nur linkshändig sein. Einige Theorien schlagen jedoch vor, den Neutrinos rechtshändige "sterile" Begleiter hinzuzufügen, die dank ihrer sehr geringen Masse auch gute Kandidaten für DM sein könnten. Darüber hinaus hilft die Theorie der sterilen Neutrinos, andere Probleme des Standardmodells zu lösen, die sie zu einer sehr eleganten Lösung für beide Bereiche machen. Zerfälle von sterilen Neutrinos liefern eine beobachtbare Signatur, die in Röntgenspektren nachgewiesen werden konnte.

Am IAAT werden Langzeitbeobachtungen durchgeführt, um die Photonenzerfallseigenschaften von sterilen Neutrinos in einem breiten (keV-MeV) Energiebereich in einer Vielzahl von astrophysikalischen Objekten (von sphärischen Zwerggalaxien bis zu Galaxienhaufen) mit Daten aus allen modernen Röntgenmissionen (XMM-Newton, Chandra, NuStar, INTEGRAL) zu finden.

Zusätzliche Anstrengungen wurden unternommen, um die Natur einer ungeklärten 3,55 keV-Linie in Spektren von Galaxienhaufen zu untersuchen. Es wurde angenommen, dass diese Linie möglicherweise DM-zerfallenden Ursprungs ist. IAAT-Forscher führten Langzeitbeobachtungen an anderen DM-dominierten Objekten (z.B. Zwergsphärogalaxien) durch und fanden keine Beweise für das Vorliegen einer solchen Linie, was den DM-Zerfallsursprung von 3,55 keV zweifelhaft macht.

Die Wissenschaftler untersuchen auch mögliche zukünftige europäische Missionen, um die DM-Zerfallslinie aufzuspüren.

Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs):

Ein weiterer beliebter Kandidat für DM-Partikel sind schwach interagierende massive Partikel, so genannte WIMPs. Diese hypothetischen Teilchen werden auch als Lösung für Probleme im Standardmodell durch die Theorie der Supersymmetrie vorgeschlagen. Sie sind natürliche Kandidaten für DM und Supersymmetrie und sollen mit ihren Antiteilchen im GeV- bis TeV-Bereich ein elektromagnetisches Signal aus der Vernichtung erzeugen.

Am IAAT analysieren Forscher systematisch Gammastrahlen-FERMI/LAT-Spektren von Galaxienhaufen, den galaktischen Zentrumsbereichen und dem diffusen Hintergrund, um einen möglichen Hinweis auf ein WIMP-Annihilationsspektralmerkmal in diesen Daten zu finden.

Feynman-Diagramm des Zerfalls eines Axions in zwei Photonen. [Abb. Caltech]
Sterile Neutrinos sind ein natürlicher Weg, um das Standardmodell der Teilchen durch Hinzufügen von drei rechtshändigen Neutrinos zu vervollständigen. [Abb. UZH]
Die Theorie der Supersymmetrie postuliert die Existenz zusätzlicher Teilchen, indem sie jedes Fermion mit einem Boson assoziiert. Dadurch entstehen natürliche Kandidaten für DM, die WIMPs. [Abb. Pauline Gagnon]

Links & Quellen