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Sonntag, 04.12.2016
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Dunkle Materie noch "dunkler" als gedacht

Bei Galaxien-Kollisionen interagiert die rätselhafte Materieform kaum mit sich selbst

Ungebremste Kollisionen: Dunkle Materie ist nicht nur unsichtbar, sie interagiert auch viel weniger mit sich selbst als gedacht. Dies haben Astronomen anhand von kosmischen Kollisionen ganzer Galaxienhaufen beobachtet. In diesen "kosmischen Teilchenbeschleunigern" geschieht der dunklen Materie beim Zusammenprall überraschend wenig. Das Rätsel der dunklen Materie ist damit noch lange nicht geklärt – die Möglichkeiten, um was es sich bei der rätselhaften Materieform handelt, sind nun aber deutlich eingeschränkt, wie die Forscher im Journal "Science" schreiben.
Kollage von sechs Galaxienhaufen mit dargestellter dunkler Materie (blaue Wolken).

Kollage von sechs Galaxienhaufen mit dargestellter dunkler Materie (blaue Wolken).

Dunkle Materie ist ein großes Rätsel im Universum: Ihre Menge übertrifft die der für uns sichtbaren Materie bei weitem, aber sie lässt sich nicht direkt beobachten. Dunkle Materie reflektiert oder absorbiert kein Licht, und sie strahlt auch selbst keines aus. Einzig die Effekte ihrer Schwerkraft lassen diese rätselhafte Materieform überhaupt in Erscheinung treten. Aus was für Teilchen die dunkle Materie besteht, ist noch unbekannt.

Erkenntnisse aus den Trümmern


Um mehr über dunkle Materie und ihre Bestandteile zu erfahren, sind Wissenschaftler daher auf solche indirekten Beobachtungen angewiesen, etwa wenn dunkle Materie mit anderer Materie zusammenprallt. Ganz ähnlich erforschen Physiker auch in Teilchenbeschleunigern das Wesen der für uns "normalen" Materie: Sie schießen kleinste Bestandteile mit hoher Energie aufeinander und analysieren die Trümmer.

Einen ähnlichen Ansatz haben Astronomen um David Harvey von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne auch für dunkle Materie verfolgt – allerdings in kosmischen Dimensionen: Sie beobachteten statt einzelner Elementarteilchen ganze Galaxienhaufen beim Zusammenprall. Galaxien enthalten im Wesentlichen drei Bestandteile: Sterne, Gaswolken und dunkle Materie. "Wir wissen, wie Gas und Sterne bei solchen kosmischen Zusammenstößen reagieren und wo sie aus den Trümmern hervorkommen", erklärt Harvey. "Dies mit dem Verhalten der dunklen Materie zu vergleichen hilft uns dabei, einzuschränken was sie eigentlich ist."


Hubble-Aufnahme des Galaxienhaufens  MACS J0717.5+3745, mit überlagerter Darstellung der dunklen Materie darin (blau).

Hubble-Aufnahme des Galaxienhaufens MACS J0717.5+3745, mit überlagerter Darstellung der dunklen Materie darin (blau).

Zusammenprall von Gas und Sternen


Sterne überstehen die Kollision zweier Galaxien oder Galaxienhaufen meist überraschend unbeschadet: Wegen der großen Abstände zwischen einzelnen Sternen sind direkte Zusammenstöße sehr selten. Bei Gaswolken ist das anders: Sie erstrecken sich über wesentlich größere Räume, wodurch sie aufeinanderprallen, sich bremsen und sogar stoppen können.

Insgesamt 72 solcher Zusammenstöße von Galaxienhaufen haben Harvey und Kollegen mit den Weltraumteleskopen Hubble und Chandra analysiert. Durch die große Anzahl erhielten sie Einblicke in ganz unterschiedliche Stadien einer Kollision und aus verschiedenen Blickwinkeln.

Widersprüchliche dunkle Materie


Das Ergebnis war überraschend: Die dunkle Materie bewegt sich praktisch geradlinig durch eine Kollision hindurch, ohne zu bremsen oder zu stoppen. Sie ähnelt in ihrem Verhalten damit eher Sternen als Gaswolken – obwohl sie nach gängiger Ansicht ziemlich gleichmäßig in einem Galaxienhaufen verteilt ist und damit eher einer Wolke ähnelt.

Für die Forscher gibt es nur eine Erklärung für dieses widersprüchliche Verhalten der dunklen Materie: Genauso wie sie nicht mit Licht interagiert, gibt es auch kaum Wechselwirkungen mit anderer dunkler Materie – zumindest keine Reibung, die sie abbremsen würde. Damit interagieren die dunklen Partikel viel weniger miteinander, als bisher angenommen.

"Das Spiel ist noch nicht vorbei"


Mit dieser Erkenntnis haben die Astronomen die Eigenschaften der dunklen Materie stark eingeschränkt: Zumindest Reibungskräfte der dunklen Materieteilchen untereinander können sie ausschließen. Für Teilchenphysiker gibt es damit deutlich weniger unbekannte Größen, um die sie ihre Modelle erstellen müssen.

Anhand weiterer kosmischer Kollisionen wollen Harvey und sein Team nun auch noch andere Eigenschaften untersuchen: So könnten die Teilchen der dunklen Materie voneinander abprallen wie Billardkugeln, oder Klumpen der dunklen Materie könnten ihre Form ändern. "Es gibt noch viele mögliche Kandidaten für dunkle Materie, das Spiel ist also nicht vorbei, "sagt Harvey. "Aber wir kommen einer Antwort näher. Diese 'astronomisch großen Teilchenbeschleuniger' lassen uns endlich einen Blick auf die dunkle Welt werfen, die überall um uns herum aber gerade außer Reichweite ist." (Science, 2015; doi: 10.1126/science.1261381)
(ESA/Hubble Information Centre, 27.03.2015 - AKR)
 
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