Dunkle Materie könnte während oder sogar vor dem Urknall entstanden sein Ist Dunkle Materie älter als der Kosmos? - scinexx | Das Wissensmagazin
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Dunkle Materie könnte während oder sogar vor dem Urknall entstanden sein

Ist Dunkle Materie älter als der Kosmos?

Urknall
Wenn die Dunkle Materie durch ein Skalarfeld entstand, könnte sie beim Urknall noch vor dem Ende der kosmischen Inflation entstanden sein. © titoOnz/ iStock

Kühne Theorie: Die rätselhafte Dunkle Materie könnte älter sein als das Universum selbst. Denn einem neuen Modell zufolge entstanden die Teilchen der Dunklen Materie schon während der kosmischen Inflation – und damit nach einigen Definitionen sogar vor dem eigentlichen Urknall. Möglich wird dies, wenn man von Skalarteilchen ähnlich dem Higgs-Boson als den Bausteinen der Dunklen Materie ausgeht. Eine entsprechende Gleichung haben nun Forscher formuliert.

Die Dunkle Materie ist eines der größten Rätsel der Kosmologie. Denn obwohl sie in der Milchstraße und allen anderen Galaxien, als intergalaktischer Strom und sogar in unserem Sonnensystem vorkommt, ist ihre wahre Natur unbekannt. Trotz intensiver Suche haben Forscher bisher kein Elementarteilchen nachweisen können, das diese exotische Materieform hervorbringen könnte. Von Kandidaten wie WIMPs, SIMPs oder Axionen fehlt bislang jede Spur.

Dunkle Materie
Die Verteilung der Dunklen Materie, wie in dieser 3D-Karte, lässt sich nur indirekt über ihre Schwerkraftwirkung bestimmen. © NASA/ ESA und R. Massey/ California Institute of Technology

Skalarfeld statt klassisches Elementarteilchen?

Eine mögliche Erklärung für diese Fehlschläge präsentiert nun der Physiker Tommi Tenkanen von der Johns Hopkins University. Denn seiner Theorie nach ist die Dunkle Materie nicht gemeinsam mit der Materie entstanden, sondern weit früher. „Wenn die Dunkle Materie ein echtes Relikt des Urknalls wäre, dann hätten Forscher längst ein direktes Signal von ihr in verschiedenen Teilchenphysik-Experimenten finden müssen“, sagt Tenkanen.

Anders wäre dies aber, wenn die Dunkle Materie auf ein Skalarfeld und sein Boson zurückgeht – ähnlich wie beim Higgs-Boson. Dessen Skalarfeld verleiht durch seinen Einfluss aller Materie ihre Masse. Auf ähnliche Weise könnte ein „dunkles“ Skalarfeld auch die Effekte der Dunklen Materie hervorbringen. Das Teilchen eines solchen Skalarfelds wäre jedoch schwer nachzuweisen, weil es den Trägerteilchen der physikalischen Grundkräfte ähnelt.

Tatsächlich haben auch einige andere Forschergruppen ein Skalarfeld mit Boson als Träger der Dunklen Materie im Verdacht – und sogar erste Hinweise auf noch unbekannte Bosonen gefunden. „Wir zeigen erstmals, dass ein Skalarfeld selbst im einfachsten Fall alle Dunkle Materie hervorbringen kann, ohne dass dies im Konflikt mit den Daten der kosmischen Hintergrundstrahlung steht“, sagt Tenkanen.

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Ursprung in der kosmischen Inflation?

Das Spannende jedoch: Sollte die Dunkle Materie auf einem Skalarfeld beruhen, dann könnte sie sogar älter sein als der Urknall. Denn nach einigen Definitionen war dieser erst mit der kosmischen Inflation abgeschlossen, der überlichtschnellen Ausdehnung, die die Materie und den Kosmos erzeugte. Im Gegensatz zu allen „normalen “ Teilchen könnte ein „dunkles“ Skalarfeld schon vor oder während dieser Inflationsphase entstanden sein, wie der Physiker erklärt.

„Wir wissen nicht, was die Dunkle Materie ist. Aber wenn sie irgendetwas mit Skalarteilchen zu tun hat, dann könnte sie älter sein als der Urknall“, sagt Tenkanen. Dieses Szenario haben er und sein Team jetzt erstmals mithilfe mathematischer Modelle überprüft. Dabei kommen sie zu dem Schluss, dass die Bildung der Dunklen Materie während der Inflation physikalisch möglich ist. Ihren Gleichungen zufolge hätte das „dunkle“ Skalarfeld dabei entscheidend zur Raumkrümmung und der Strukturbildung im frühen Kosmos beigetragen – wie es in gängigen Modellen für die Dunkle Materie postuliert wird.

„Mit dem von uns vorgeschlagenen Szenario müssen wir zudem keine neuen Formen der Wechselwirkung zwischen der sichtbaren und Dunklen Materie einführen“, sagt Tenkanen. Man benötige nur die Gravitation. „Und von der wissen wir bereits, dass sie mitwirkt“, so der Forscher.

Euclid
Das Weltraumteleskop Euclid soll Materie, Dunkle Materie und Dunkle Energie erkunden. © ESA/ C. Carreau /CC-by-sa 3.0 IGO

Weltraumteleskop „Euclid“ könnte Belege liefern

Doch wie ließe sich das neue Szenario beweisen? „Diese Form der Dunklen Materie wäre zu schwer fassbar, um sie in Teilchen-Experimenten nachzuweisen“, sagt Tenkanen. „Aber sie kann ihre Präsenz in astronomischen Beobachtungen verraten.“ Denn wenn die Dunkle Materie schon vor der Materie als Skalarfeld existierte, dann hätte sie deren Verteilung beeinflusst. Dieser Einfluss müsste sich in der Verteilung der Galaxien und anderer Materie im Kosmos nachweisen lassen, erklärt der Forscher.

„Wir könnten bald mehr über den Ursprung der Materie lernen, wenn der Euclid-Satellit im Jahr 2022 ins All startet“, sagt Tenkanen. Dieses Weltraumteleskop der ESA ist speziell darauf ausgelegt, hochauflösendere Informationen über die Expansion des Kosmos, die Dunkle Energie und auch die Ursprünge der Materieverteilung zu liefern. „Es wird sehr spannend sein zu sehen, was es über die Dunkle Materie enthüllen wird und ob seine Daten uns einen Blick in die Zeit vor dem Urknall gewähren“, sagt Tenkanen. (Physical Review Letters, 2019; doi: 10.1103/PhysRevLett.123.061302)

Quelle: Johns Hopkins University

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