Dunkle Materie im Sternbild Stier

Oder etwa doch nicht? Jedenfalls entdeckten mehrere Forschergruppen unlängst einen Überschuss von geladenen Teilchen in der kosmischen Strahlung. Einige Theorien der sagenumwobenen Dunklen Materie sagen genau das voraus. Liegen also in den Sternbildern Stier, Orion und Zwillinge riesige Wolken dieses ominösen dunklen Materials?

Eines vorweg: Das behauptet niemand, auch nicht die beteiligten Forscher. Dass dennoch die Dunkle Materie zur Erklärung dieser Endeckungen bemüht wird, liegt sicher auch daran, dass ihre Natur eines der größten Rätsel der heutigen Astrophysik darstellt. Physiker und Astronomen harren ihrer Enträtselung förmlich entgegen. Sie werden aber wohl noch etwas ausharren müssen. Was aber wurde eigentlich entdeckt?

Wie letzte Woche bekannt wurde, haben Wissenschaftler mit dem ATIC-Ballonexperiment einen Überschuss an kosmischen Elektronen im Energiebereich zwischen 100 GeV und 1 TeV entdeckt. ATIC bedeutet Advanced Thin Ionization Calorimeter, es handelt sich dabei um einen Teilchendetektor, der in einer Höhe von knapp 40 Kilometern über dem Eis der Antarktis die Kosmische Höhenstrahlung untersucht. Diese wiederum enthält neben Atomkernen (vor allem Wasserstoffkerne) auch Elektronen. Nun weiß man bis heute nicht sicher, woher diese kosmischen Teilchen eigentlich kommen. Die Wissenschaftler glauben aber mittlerweile fest daran, dass es sich bei ihren Quellen um sehr extreme Orte im Weltall handelt. Vor allem Supernovareste, Pulsare oder Schwarze Löcher stehen als Teilchenschleudern unter Verdacht.

Der von ATIC gemessene Elektronenüberschuss liegt signifikant über dem vermuteten Hintergrund (gestrichelte Linie). Die gepunktete Line zeigt den aufgrund eines Dunkle-Materie-Zerstrahlungsprozesses erwarteten Anteil an. Die Summe aus Untergrund und DM-Signal (durchgezogene Linie) entspricht gut der Beobachtung. (Chang et al.) 

So glauben die Physiker, den Teilchenfluss aus dem Weltall durch diese Quellen erklären zu können. ATIC fand aber mehr Elektronen, als nach den Vorhersagen zu erwarten war. Die zusätzlichen Elektronen müssten, so die Forscher, aus einer relativ nahen Quelle stammen, die maximal etwa 3000 Lichtjahre von der Erde entfernt liegt. Wäre die Quelle nämlich weiter weg, dann würden die Elektronen durch Stöße mit dem interstellaren Gas absorbiert und kämen gar nicht bei uns an.

Gestern nun gab die Kollaboration des MILAGRO-Experiments in Los Alamos bekannt, dass auch sie einen Überschuss in der kosmischen Strahlung gefunden hat. Demzufolge gibt es auch mehr Protonen, also Wasserstoffkerne, als vorhergesagt. Damit nicht genug: Die Wissenschaftler präsentierten sogar eine Himmelskarte, der zufolge die meisten dieser überschüssigen Protonen aus zwei recht ausgedehnten Regionen des Himmels kommen, eine im Sternbild Stier, die zweite etwas weiter östlich, nahe bei den Zwillingen.

MILAGRO ist anders aufgebaut als ATIC: es ist ein sehr großes Experiment auf dem Erdboden, welches die kosmischen Teilchen indirekt über die Teilchenschauer aufspürt, die sie beim Eintritt in die Erdatmosphäre auslösen. Der große Vorteil des MILAGRO-Experiments gegenüber Ballons wie ATIC: Es kann praktisch durchgehend messen – Tag und Nacht. Die Forscher sammelten so in den vergangenen Jahren eine sehr große Datenmenge, aus der sie nun ihre Himmelskarte erstellen konnten.

In Rot: die so genannten "Hot Spots" aus denen ein Überschuss kosmischer Photonen zu stammen scheint. (John Pretz, LANL)

Abgesehen von dieser Himmelkarte wären es nicht die ersten Entdeckungen dieser Art. Schon vor ein paar Monaten hieß es, das Satellitenexperiment PAMELA habe einen Überschuss an Positronen gefunden. Das sind die Antiteilchen der Elektronen.  Und auch damals wurde gemutmaßt, dies könne möglicherweise ein Hinweis auf die Dunkle Materie sein. Was aber hat die nun mit den überzähligen Teilchen in der kosmischen Strahlung zu tun? Immerhin wird sie nicht selten gleich in der Überschrift genannt, wenn von solchen Entdeckungen die Rede ist (so auch in diesem Artikel). Nun, die Dunkle Materie könnte eine Erklärung für den beobachteten Teilchenüberschuss sein. Allerdings eine, die auf einer ganzen Reihe von Hypothesen beruht, und bei näherer Betrachtung etwas weiter her geholt scheint.

Erstens wissen wir nicht einmal, ob es so etwas wie Dunkle Materie überhaupt gibt. Keine Sorge, ich bezweifle nicht, dass die Dunkle Materie ein sinnvolles Konzept darstellt. Doch alles, was wir bisher wissen, ist, dass wir unser Modell von der Entwicklung des Universums nur durch die Existenz einer zusätzlichen „Dunklen Kraft“ aufrecht erhalten können, denn sonst könnten wir die Entstehung von Galaxien, Sternen und Planeten aus einem äußerst gleichförmigen Anfangszustand nicht erklären. Neben dieser kosmologischen Begründung beobachten wir im heutigen Universum zwischen den Galaxien Gravitationskräfte, die sich mit „normaler“ Materie als ihre Quellen nicht erklären lassen. Wir wissen auch, dass das, was die zusätzliche Gravitation hervorzurufen scheint, „klumpt“, also nicht gleichförmig verteilt ist. Aber dass es sich bei diesem Etwas um Materie handelt, die aus andersartigen Teilchen besteht, ist bereits Spekulation, für die wir bislang keine Anhaltspunkte haben. 

Es gibt elegante Theorien, die das „Problem der Dunklen Materie“ und auch andere Fragestellungen der Physik zu lösen vermögen, eine davon ist die Supersymmetrie. Diese geht davon aus, dass jedes Teilchen einen schweren „Superpartner“ besitzt. Aus der Theorie folgt, dass es ein leichtestes dieser supersymmetrischen Teilchen geben müsse, das stabil ist und für die beobachtete unerklärliche Gravitationswirkung verantwortlich ist – mithin also die „Dunkle Materie“ darstellt, die auch die Bildung von Galaxien erst ermöglicht hat. Alle anderen wären seit dem Urknall bereits zerfallen. Wenn es ein solches Teilchen gibt, dann könnte es, wiederum einer Theorie zu Folge, auch mit seinem Antiteilchen zu „gewöhnlicher“ Materie zerstrahlen – also zu Protonen, Elektronen, deren Antiteilchen oder auch zu energiereicher Gammastrahlung. Tatsächlich sagen einige Theorien und Rechenmodelle erstaunlich genau Überschüsse dieser Teilchen voraus, wie sie von den Experimenten gefunden wurden – wenn man nur richtig an den Parametern der Theorien schraubt.

Die Teilchen der kosmischen Strahlung könnten also teils aus der Zerstrahlung der Dunklen Materie stammen und teils aus „ganz gewöhnlichen“ Quellen, wie ich sie oben kurz genannte habe. Doch auch diese sind noch immer nicht völlig etabliert und verstanden. Wenn man also von einem „Überschuss“ in den Teilchenzahlen spricht, muss man sich klar machen, dass der Hintergrund, vor dem dieser Überschuss gemessen wird, mit möglicherweise großen systematischen Fehlern behaftet ist. So könnte es also sein, dass der vermeintliche Überschuss gar keiner ist, sondern dass wir den Hintergrund selbst noch nicht richtig verstanden haben. Also eine ganz unspektakuläre Erklärung – ohne Dunkelmaterie.

Aber was sind das dann für merkwürdige Wolken aus denen die überschüssigen Protonen zu kommen scheinen? Die „Hot Spots“, wie sie in der MILAGRO-Veröffentlichung genannt werden? Dazu muss man sich vergegenwärtigen, dass geladene Teilchen alles andere als geradlinig durch das Weltall fliegen. Im Gegensatz zum Licht werden sie nämlich von den Magnetfeldern in den Galaxien auf verwirbelte Flugbahnen gezwungen. Der Ort am Himmel, von dem sie zu stammen scheinen, hat in der Regel nichts mit der Quelle gemein, in der die Teilchen entstanden sind.

Daher war man bislang auch davon ausgegangen, dass der Himmel im „Licht“ der geladenen Teilchen im wesentlichen gleichförmig aussieht, die Entdeckung des MILAGRO-Experiments ist daher in der Tat bemerkenswert. Aber könnte es sich hier vielleicht um Verstärkungseffekte handeln, die auf die bislang unverstandene Struktur der Magnetfelder zurückzuführen sind? Denn wir wissen über diese Felder bislang auch nicht viel mehr als über die Dunkle Materie.

Bei Lichte betrachtet bleiben also eine Menge Fragen zu klären, will man die Beobachtungen von ATIC und MILAGRO auf die Dunkle Materie schieben:

Was sind die Quellen der kosmischen Strahlung?

Wie sieht der tatsächliche Strahlungshintergrund aus?

Welche Rolle spielen die galaktischen Magnetfelder?

Welche Stärke haben sie tatsächlich?

Gibt es Supersymmetrie?

Falls ja, gibt kann sie die notwendigen Überschussteilchen erzeugen?

Falls ja, erklärt sie das Phänomen der zusätzlichen Gravitation und die Entstehung der Galaxien?

Um den Wissenschaftlern der genannten Experimente kein Unrecht zu tun, sollte ich erwähnen, dass sie diese Probleme keineswegs verheimlichen sondern offen ansprechen. Dennoch ist das „DM-Wort“ bei der öffentlichen Diskussion immer schnell bei der Hand. Ich finde, man sollte sich bei dieser gewiss sehr interessanten Diskussion immer mal wieder auf das besinnen, was gesichertes Wissen (falls es so etwas überhaupt gibt) und was bislang reine Spekulation und (zugegebenermaßen wohl durchdachte) Theorie ist. Wer kann schon ausschließen, dass die Dunkle Materie eines Tages ihren Platz in der Rumpelkammer der Wissenschaftsgeschichte findet?

 

 

Mit dem Astronomievirus infiziert wurde ich Mitte der achtziger Jahre, als ich als 8-Jähriger die Illustrationen der Planeten auf den ersten Seiten eines Weltatlas stundenlang betrachtete. Spätestens 1986, als ich den Kometen Halley im Teleskop der Sternwarte Aachen sah (nicht mehr als ein diffuses Fleckchen, aber immerhin) war es um mich geschehen. Es folgte der klassische Weg eines Amateurastronomen: immer größere Teleskope, Experimente in der Astrofotografie (zuerst analog, dann digital) und später Reisen in alle Welt zu Sonnenfinsternissen, Meteorschauern oder Kometen. Visuelle Beobachtung, Fotografie, Videoastronomie oder Teleskopselbstbau – das sind Themen die mich beschäftigten und weiter beschäftigen. Aber auch die Vermittlung von astronomischen Inhalten macht mir großen Spaß. Nach meinem Abitur nahm ich ein Physikstudium auf, das ich mit einer Diplomarbeit über ein Weltraumexperiment zur Messung der kosmischen Strahlung abschloss. Trotz aller Theorie und Technik ist es nach wie vor das Erlebnis einer perfekten Nacht unter dem Sternenhimmel, das für mich die Faszination an der Astronomie ausmacht. Die Abgeschiedenheit in der Natur, die Geräusche und Gerüche, die Kälte, die durch Nichts vergleichbare Schönheit des Kosmos, dessen Teil wir sind – eigentlich braucht man für das alles kein Teleskop und keine Kamera. Eines meiner ersten Bücher war „Die Sterne“ von Heinz Haber. Das erste Kapitel hieß „Lichter am Himmel“ – daher angelehnt ist der Name meines Blogs. Hier möchte ich erzählen, was mich astronomisch umtreibt, eigene Projekte und Reisen vorstellen, über Themen schreiben, die ich wichtig finde. Die „Himmelslichter“ sind aber nicht immer extraterrestrischen Ursprungs, auch in unserer Erdatmosphäre entstehen interessante Phänomene. Mein Blog beschäftigt sich auch mit ihnen – eben mit „allem, was am Himmel passiert“. jan [punkt] hattenbach [ät] gmx [Punkt] de Alle eigenen Texte und Bilder, die in diesem Blog veröffentlicht werden, unterliegen der CreativeCommons-Lizenz CC BY-NC-SA 4.0.

1 Kommentar Schreibe einen Kommentar

  1. Dunkle Materie in der Rumpelkammer

    Ich möchte einen kompetenten Kosmologen unserer Zeit zitieren. Und stimme ihm zu 100% zu.

    Zitat Anfang
    „Was aber als Schwäche des Modells (des Urknalls) geradezu aufschreit, ist die dunkle Energie und vielleicht auch die Dunkle Materie. Das Modell ist einfach und gibt die Beobachtungen gut wieder. Doch es enthält zwei Zutaten, die wir erfunden haben, genauso wie die Astronomen der Antike die Epizyklen eingeführt haben, um die Planetenbewegung zu beschreiben.
    Dieser Teil des Modells wird scheitern. Wenn Physiker solche Dinge eingeführt haben, dann haben sie
    meißtens daneben gelegen.“
    Zitat Ende
    Sterne und Weltraum 11/2004 S.28 „In diesen sechs Zahlen steckt eine neue Physik“ David Spergel

    Der Kosmologe Spergel hat mit seinen deutlichen Worten Recht: Mit den Epizyklen, der Dunklen Energie und der Dunklen Materie lagen und liegen die Physiker tatsächlich daneben. Nur braucht deswegen keine „neue Physik“ erfunden werden, wie Spergel in seinem Artikel mutmaßt, sondern man entfernt einfach die Fehler in der Masseberechnung.

    Was war damals der Fehler? Es war der falsche (visuelle) Drehpunkt!
    Wo liegt heute der Fehler? Es ist wieder der falsche (visuelle) Drehpunkt!
    Man kann spielend leicht in unserem Planetensystem, ebenso wie in einer Galaxie eine große Menge an Dunkler Materie ausrechnen, wenn man eine Librationsbahn mit einer Keplerbahn verwechselt.
    Es geht damals wie heute um den falschen Drehpunkt.
    Wen es interessiert, der kann es selbst sehr leicht nachrechnen, man braucht nur unter „Dunkle Materie Rechenfehler“ googlen.
    Meist waren es Quereinsteiger, die neues gefunden haben. Nichts gegen Fachleute, aber machmal sind sie eben betriebsblind.
    M. Krause

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