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Freitag, 30.09.2016
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Indiz für Teilchen der Dunklen Materie?

Ein Überschuss an Gammastrahlung im Herzen der Milchstraße könnte ein Indiz für WIMPs sein

Im Herzen der Milchstraße haben Astronomen verräterische Signale der Dunklen Materie entdeckt. Ein Überschuss an energiereicher Gammastrahlung könnte darauf hindeuten, dass hier die Teilchen dieser exotischen Materieform kollidieren und sich gegenseitig auslöschen. Sollte sich dies bestätigen, wäre das der erste indirekte Nachweis dieser Partikel – und ein erster Hinweis darauf, woraus die rätselhafte Dunkle Materie besteht.
Die Dunkle Materie ist für uns nicht sichtbar. Doch sie macht gängiger Theorie nach immerhin mehr als ein Viertel der Masse im Universum aus – und rund fünf Mal mehr als normale Materie. Ihre Schwerkraft ist es vornehmlich, die die Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält. Woraus diese exotische Materieform aber besteht, ist rätselhaft. Als einer der möglichen Kandidaten gelten sogenannte Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs), Teilchen, die sich der Theorie nach bei Kollisionen gegenseitig auslöschen und dabei Gammastrahlen freisetzen.

Gammastrahlung aus dem Herzen der Milchstraße

Fahndung im Herzen der Milchstraße


Nach diesen verräterischen Gammastrahlen fahnden Astrophysiker schon eine ganze Weile. Jetzt sieht es so aus, als hätten sie erstmals tatsächlich dieses Signal der Dunklen Materie eingefangen – im Herzen der Milchstraße. Im Zentrum von Galaxien müsste besonders viel Dunkle Materie vorhanden sein, deshalb richteten Dan Hooper vom Fermilab in Batavia und seine Kollegen die Gammastrahlen-Detektoren des NASA Weltraumteleskops Fermi auch dorthin – ins galaktische Zentrum.

Die Messungen registrierten – wenig überraschend – reichlich Gammastrahlung. Denn im Herzen der Milchstraßen wimmelt es nur so von Doppelsternsystemen, Pulsaren, Supernova-Überresten und anderen Objekten, die diese energiereiche Strahlung erzeugen. Die große Schwierigkeit bestand daher darin, die Strahlung dieser Quellen herauszufiltern und zu schauen, ob dann noch etwas übrig bleibt.


Auffälliger Überschuss


Und tatsächlich: "Das Signal, dass wir gefunden haben, kann nicht durch die gängigen Alternativen erklärt werden – und es stimmt sehr gut mit den Vorhersagen einfacher Modelle zur Dunklen Materie überein", erklärt Hooper. Nach Entfernung aller Störsignale blieb ein Überschuss an Strahlung übrig, der sich im Bereich zwischen einem und drei Gigaelektronenvolt (GeV) bewegte. Dies entspricht einer Energie rund eine Milliarde Mal höher als die des sichtbaren Lichts. Diese Zone der zusätzlichen Gammastrahlung erstreckt sich rund 5.000 Lichtjahre um das galaktische Zentrum herum, wie die Forscher berichten.

Links eine Karte der Gammastrahlung bei Energien von 1-3,6 GeV, rechts das Signal, wenn alle Störquellen entfernt sind.

Links eine Karte der Gammastrahlung bei Energien von 1-3,6 GeV, rechts das Signal, wenn alle Störquellen entfernt sind.

Nach Berechnungen von Hooper und seinen Kollegen könnte diese Signatur, seine symmetrische Verteilung und seine Helligkeit sehr gut durch Kollisionen von WIMPs erklärt werden. Diese müssten dann eine Masse und Energie von 31 bis 40 Gigaelektronenvolt besitzen, um bei ihrer gegenseitigen Auslöschung die Gammastrahlen dieser Stärke zu erzeugen.

Indiz für Auslöschung vom WIMPs?


"Dies ist ein sehr aufregendes Signal. Zwar ist der Fall noch nicht abgeschlossen, aber es könnte sehr gut sein, dass wir in der Zukunft einmal zurückschauen und dann sagen: Dies war das erste Mal, dass wir die Auslöschung Dunkler Materie beobachtet haben", konstatiert Koautorin Tracy Slatyer vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge. Die Forscher betonen aber auch, dass es noch weitere Messungen bedarf, um ihre Vermutung abzusichern. Die Ergebnisse könnten aber einen wertvollen Hinweis liefern, wo auch große Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider (LHC) am CERN nach den exotischen Dunkle Materie-Teilchen suchen könnten.

Weitere Hinweise könnte auch Beobachtungen der Gammastrahlung in fernen Zwerggalaxien liefern. Denn in diesen fehlen meist andere Quellen der Gammastrahlung, gleichzeitig enthalten sie der Theorie nach besonders große Anteile Dunkler Materie. Allerdings: Das Gammastrahlen-Signal dieser Galaxien ist nur schwach und daher schwer und langwierig zu messen. In den letzten vier Jahren haben die Astrophysiker bereits mit solchen Untersuchungen begonnen.

"Wenn wir dann etwas Signifikantes finden, dann könnte dies eine sehr starke Bestätigung des potenziellen Signals Dunkler Materie sein, das wir jetzt im galaktischen Zentrum der Milchstraße entdeckt haben", konstatiert Koautor Elliot Bloom vom Kavli Institute for Particle Physics and Cosmology in Stanford. Dies könnte dann endlich das Geheimnis der Dunklen Materie und ihrer Teilchen lüften helfen. (Physical Review D, in press)
(NASA, 04.04.2014 - NPO)
 
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