Dunkle Materie scheint kalt: Was die Galaxienbildung zeigt und was über ihre Teilchen unbekannt bleibt

Dunkle Materie wirft zwei miteinander verbundene, aber unterschiedliche Fragen auf: Wie beeinflusst sie die Struktur des Universums, und woraus besteht sie? Die NASA erklärt, dass Simulationen der Strukturbildung kalte, also langsam bewegte Dunkle Materie begünstigen. Diese Präferenz hilft zu beschreiben, wie Galaxien und andere Strukturen in die kosmische Geschichte passen, identifiziert aber nicht die verantwortlichen Teilchen.

Die Unterscheidung ist wichtig, denn „kalt“ bezeichnet hier keine Temperatur, die mit einem Thermometer gemessen wird. Gemeint ist die Geschwindigkeit der Teilchen in den Modellen. Der Vergleich kalter, warmer und heißer Dunkler Materie ermöglicht es, zu untersuchen, welche Art der Bewegung Strukturen hervorbringt, die den astronomischen Beobachtungen ähneln.

Unsichtbare Materie mit gravitativen Spuren

Gewöhnliche Materie – aus der Sterne, Planeten und alltägliche Gegenstände bestehen – wechselwirkt mit Licht verschiedener Wellenlängen. Dunkle Materie, so die Beschreibung der NASA, scheint nicht mit dem elektromagnetischen Spektrum zu wechselwirken: Sie absorbiert, reflektiert und emittiert kein Licht. Sie besitzt jedoch Masse und beeinflusst gewöhnliche Materie durch Gravitation. Deshalb lässt sich ihr Einfluss auf den Kosmos trotz ihrer direkten Unsichtbarkeit anhand ihrer Wirkungen untersuchen.

Die Behörde schätzt, dass Dunkle Materie etwa 27 % des Universums ausmacht, gegenüber ungefähr 5 % gewöhnlicher Materie; der Rest wird der Dunklen Energie zugeschrieben. Sie weist außerdem darauf hin, dass Dunkle Materie den größten Teil der Masse von Galaxien und Galaxienhaufen ausmacht. Diese Anteile sind Schätzungen der NASA, die als Kontext für die Rolle der verschiedenen kosmischen Bestandteile dienen.

Eine Möglichkeit, diese Masse aufzuspüren, besteht darin, zu beobachten, wie die Gravitation großer Materieansammlungen die Raumzeit krümmt und das Licht ferner Objekte ablenkt. Dieses Phänomen heißt Gravitationslinseneffekt. Die beobachteten Verzerrungen ermöglichen es, die Massenverteilung zu untersuchen, einschließlich des Anteils, der kein Licht aussendet.

Was die Simulationen vergleichen

Die Erklärung der NASA beschreibt Simulationen, in denen unterschiedliche Geschwindigkeiten der Dunklen Materie getestet werden. In Modellen mit kalter und langsam bewegter Dunkler Materie entstehen und bewegen sich die Strukturen des Universums ähnlich wie in den Beobachtungen. In Simulationen mit warmer oder heißer Dunkler Materie scheinen die Strukturen dagegen nicht auf die Weise zusammenzuhalten, die zur Wiedergabe dieser Beobachtungen erforderlich wäre.

Aus diesem Vergleich fasst die Behörde zusammen, dass Wissenschaftler kalte oder langsam bewegte Dunkle Materie für wahrscheinlicher halten. Außerdem bringt sie die Möglichkeit ins Spiel, dass sie im frühen Universum mit einer ausreichend niedrigen Geschwindigkeit entstanden ist, sodass sich Galaxien bilden und so verteilen konnten, wie wir sie heute sehen. Es handelt sich um eine Schlussfolgerung aus dem Verhalten der Strukturen in den Modellen: Sie zeigt, welche Art der Bewegung am besten zum beobachteten Bild passt, nicht die Zusammensetzung der Dunklen Materie.

Die Vorstellung von „kalt“ ist daher im Rahmen dieses Vergleichs zu verstehen. Es geht nicht darum, ob das Material im alltäglichen Sinn kalt ist, sondern darum, ob sich seine Teilchen langsam genug bewegen, um sich zu verklumpen und die Entstehung kosmischer Strukturen zu begünstigen.

Von der kosmologischen Beschreibung zu hypothetischen Teilchen

Die NASA führt mehrere Vorschläge dazu an, woraus Dunkle Materie bestehen könnte. Dazu gehören WIMPs, die Abkürzung für schwach wechselwirkende massive Teilchen. Die Behörde beschreibt sie als hypothetische, schwere und langsam bewegte Teilchen, die kein Licht absorbieren oder aussenden und nicht stark mit den bislang bekannten Teilchen wechselwirken. Man vermutet, dass sie über die Gravitation und möglicherweise weitere Kräfte wechselwirken könnten und gewöhnliche Materie daher nahezu ungehindert durchdringen würden.

Einige Modelle legen nahe, dass bestimmte WIMPs bei einer Begegnung einander vernichten und Gammastrahlen erzeugen könnten. Die NASA zufolge wurde in Daten des Fermi-Weltraumteleskops für Gammastrahlen nach möglichen Anzeichen dieses Vorgangs gesucht. Die Beschreibung einer Suche ist jedoch keine Bestätigung dafür, dass WIMPs existieren.

Ein weiterer Kandidat sind Axionen, hypothetische subatomare Teilchen, denen eine geringe Masse und Energie zugeschrieben werden. Sie wurden 1977 als mögliche Lösung für ein Problem der Teilchenphysik vorgeschlagen, das als starkes CP-Problem bezeichnet wird. Die Hypothese besagt, dass Axionen Dunkle Materie sein könnten. Die NASA weist außerdem darauf hin, dass Daten der Teleskope Fermi, Chandra und NuSTAR verwendet wurden, um in Röntgen- und Gammastrahlenbeobachtungen nach Hinweisen auf Axion-Oszillationen zu suchen.

Was sich aus den Simulationen schließen lässt

Die Präferenz für langsam bewegte Dunkle Materie und die Suche nach Kandidaten gehören zu unterschiedlichen Ebenen der Forschung. Simulationen vergleichen, welche Auswirkungen verschiedene Geschwindigkeiten auf die Entstehung und den Zusammenhalt von Strukturen hätten. Bei der Suche nach Teilchen geht es dagegen darum, Signale zu finden, die mit konkreten Vorschlägen verbunden sind. Dass ein kosmologisches Modell besser zu den beobachteten Strukturen passt, reicht für sich allein nicht aus, um zwischen WIMPs, Axionen oder anderen Erklärungen zu entscheiden.

Die NASA selbst stellt mehrere Möglichkeiten vor und weist darauf hin, dass Dunkle Materie aus mehr als einer Art von Materie oder Teilchen bestehen könnte. Auf der Seite, die diese Kandidaten zusammenfasst, erklärt die Behörde, dass keine Belege gefunden wurden, die einen der beschriebenen Kandidaten bestätigen. Die durch das verfügbare Material gestützte Schlussfolgerung ist daher begrenzt: Simulationen sprechen für kalte oder langsam bewegte Dunkle Materie als Erklärung der beobachteten kosmischen Struktur; ihre physikalische Identität bleibt dagegen offen.

Ein Hinweis auf die Geschichte des Kosmos

Zu verstehen, wie Dunkle Materie verteilt ist, kann helfen, die Entstehung und Entwicklung der Galaxien nachzuvollziehen. Die NASA stellt Simulationen als Möglichkeit dar, die Bewegung der Dunklen Materie mit der Entstehung dieser Strukturen zu verknüpfen. Die Präferenz für langsam bewegte Teilchen deutet auf eine Bedingung hin, die es Materie in den Modellen ermöglicht, sich zusammenzuballen; sie klärt für sich genommen nicht die Natur dieser Teilchen.

Das Bild ist somit zwischen einem kosmologischen Hinweis und einer mikroskopischen Unbekannten aufgeteilt. Der erste spricht für kalte Dunkle Materie, weil ihre Simulationen die beobachteten Strukturen besser wiedergeben. Die zweite Frage – welches physikalische Objekt diese gravitativen Wirkungen hervorruft – bleibt zwischen hypothetischen Kandidaten wie WIMPs und Axionen offen. Beide Fragen auseinanderzuhalten verhindert, dass eine Erklärung der Galaxienbildung zu einer Identifizierung wird, die die angeführten Belege nicht liefern.