Suche nach Dunkler Materie

Trügerische Röntgenstrahlung

Von Jan Hattenbach
02.04.2020
, 10:40
Die hypothetische Röntgenstrahlung, erzeugt  von zerfallenden Dunkle-Materie-Teilchen, würde als sphärischer Halo (farbig) unsere Milchstraße umgeben.
Ein Röntgensignal hatte Jägern der Dunklen Materie Hoffnung gemacht. Nun gingen Astronomen dem Ursprung der Strahlung genauer auf den Grund – und wurden enttäuscht.
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Beobachtungsdaten fast eines ganzen Jahres haben Christopher Dessert von der amerikanischen Universität Michigan und seine Kollegen Nicholas Rodd und Benjamin Safdi ausgewertet. Sie stammen vom europäischen Röntgensatelliten XMM Newton, der seit 1999 im Erdorbit kreist. Die Forscher interessierten sich aber nicht für bestimmte Objekte im Röntgenlicht, sie wählten für ihre in der Zeitschrift „Science“ veröffentlichten Analyse nur Beobachtungen des scheinbar leeren Raumes aus. Der Grund: Dessert, Rodd und Safdi wollten wissen, ob sich in dem diffusen, unsere Milchstraße umgebenen Röntgennebel ein verräterisches Signal der Dunklen Materie versteckt.

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Fünfmal mehr Dunkle Materie als Atome und Elementarteilchen soll es im Universum geben. Das belegt eine Vielzahl astronomischer Beobachtungen. Ohne Dunkle Materie können Kosmologen nicht erklären, wie sich aus der einst im Universum fast vollständig gleichmäßig verteilten Materie im Laufe der Zeit Galaxien und Sterne entwickelt haben. Die Schwerkraft der gewöhnlichen Materie hätte dazu bei weitem nicht ausgereicht.

Ein Röntgensignal als Hinweis auf sterile Neutrinos?

Physiker vermuten, dass die Dunkle Materie aus bislang unbekannten Elementarteilchen besteht. Einen ganzen Zoo hypothetischer Kandidatenteilchen haben sie erdacht, doch bis jetzt konnten sie keines davon in der Natur finden. Das Röntgensignal, nach dem die drei Astrophysiker suchten, bot eine neue Spur: Es handelt sich um eine schmale Linie im Röntgenspektrum mit einer Energie von 3,5 Kiloelektronenvolt (keV). Vor wenigen Jahren hatten zwei Forschergruppen sie erstmals in nahe gelegenen Galaxienhaufen gefunden. Die Linie könnte, so die damalige Hypothese, von „sterilen“ Neutrinos mit einer Masse von etwa sieben Kiloelektronenvolt stammen. Neutrinos sind extrem leichte Elementarteilchen, sie spielen beispielsweise beim radioaktiven Zerfall eine wichtige Rolle. „Sterile“ Neutrinos gibt es bislang nur in der Theorie. Sie sollen normalen Neutrinos ähneln, anders als diese aber nur über die Gravitation mit Materie in Kontakt treten.

Ein echter Beweis für sterile Neutrinos war die Entdeckung der 3,5-keV-Strahlung aber noch nicht: In den Galaxienhaufen, aus denen sie stammte, befinden sich schließlich auch andere kosmische Objekte wie Sterne, heiße Gaswolken, Supernova-Reste und Schwarze Löcher – auch diese können die Strahlung erzeugen. Dessert, Rodd und Sadi machten sich deshalb in den „dunklen“ Außenregionen unserer eigenen Milchstraße auf die Suche. Dort gibt es so gut wie keine bekannten Röntgenquellen, aber, so weit die Theorie, Dunkle Materie. Daten aus beachtlichen 30 Millionen Sekunden trugen die Forscher aus XMMs Archiv zusammen. Zum Vergleich: Für das Extreme Deep Field, die tiefste Aufnahme des Hubbleteleskops, hatte man seinerzeit rund zwei Millionen Sekunden Belichtungszeit aufaddiert.

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Vernichtende Schlussfolgerung

Doch selbst in dieser enormen Datenmenge konnten die Forscher keinen Hinweis auf eine 3,5 keV-Linie in der Milchstraße finden. Ihre Schlussfolgerung fällt entsprechend vernichtend aus: Die in den Galaxienhaufen entdeckte Linie stammt von astrophysikalischen Quellen und nicht von der Dunklen Materie.

Das ist ein Rückschlag für die Dunkle-Materie-Jäger – und nicht der erste: Weder in Untergrundlaboren noch in Teilchenbeschleunigern, die Dunkle-Materie-Teilchen unter Umständen direkt erzeugen könnten, sind bisher Spuren von ihr aufgetaucht. Im Weltall fanden Astrophysiker zwar Hinweise; die 3,5 Kiloelektronenvolt-Linie ist bei weitem nicht der einzige. Doch egal ob es sich um überzählige Positronen oder energiereiche Gammastrahlung handelte, stets lieferten astrophysikalische Quellen eine mindestens ebenso plausible Erklärung. Das neueste Negativresultat eliminiert nun einen weiteren vielversprechenden Kandidaten. Doch die Suche geht weiter: Die Vielzahl hypothetischer Teilchen gibt Hoffnung, dass sich die Dunkle-Materie-Teilchen doch noch zeigen werden.

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Quelle: F.A.Z.
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