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Forscher präsentieren neuen Ansatz zum Verständnis Dunkler Materie:


Röntgenaufnahme des ca. 240 Millionen Lichtjahre entfernten Galaxienhaufens Perseus. Die von Galaxien und Galaxienhaufen ausgesendete Röntgenstrahlung gibt Astrophysikern nach wie vor zahlreiche Rätsel auf und könnte insbesondere Hinweise auf die mysteriöse Dunkle Materie liefern.
Copyright: NASA
Mainz (Deutschland) – Außer mit der Schwerkraft, soll sogenannte Dunkle Materie weder mit normaler Materie und selbst nicht mit dem Licht interagieren – aber dennoch rund 23 Prozent der Materie unseres Universums ausmachen. Bislang fehlt jedoch jeglicher direkte Nachweis ihrer Existenz und es gibt es trotz intensiver Suche keinerlei Anzeichen, um welche Teilchen es sich dabei handeln könnte. Statt die Dunkle Materie gänzlich in Frage zu stellen präsentieren Mainzer Physiker nun eine neue Theorie vor, deren Ausgangspunkt die Beobachtung ungewöhnlicher Röntgenstrahlung von Galaxien ist.



Wie Wissenschaftler um Prof. Dr. Joachim Kopp von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) aktuell im Fachjournal “Physical Review Letters” (DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.061301) und vorab via ArXiv.org berichtet, schlagen sie vor, die mysteriösen “dunklen” Partikel an einer ganz anderen Stelle zu suchen als bisher: Geeignete Kandidaten wären demnach keine sehr schweren Teilchen, wie bislang oft vermutet, sondern im Gegenteil extrem leichte Teilchen – fast hundert Mal leichter als ein Elektron.

“Die Existenz Dunkler Materie wird vorwiegend damit begründet, dass die Rotation von Sternen um das Zentrum ihrer Galaxie ansonsten nicht wie beobachtet erfolgen könnte”, erläutert die Pressemitteilung der Universität und fphrt dazu weiter aus: “Einer der besonders favorisierten Kandidaten für Dunkle Materie ist das sog WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), nach dem zum Beispiel im italienischen Untergrundlabor Gran Sasso gesucht wird. Aber neuere Publikationen aus der Astroteilchenphysik stellen die WIMPs zunehmend in Frage.” Auch die Autoren der Mainzer Studie sehen sich momentan verstärkt nach Alternativen um.

Kopp ist mit seinen Kollegen Vedran Brdar, Jia Liu und Xiao-Ping Wang einer Beobachtung nachgegangen, die 2014 von unabhängigen Gruppen berichtet wurde: “Am Himmel zeigte sich an verschiedenen Stellen eine bisher unbekannte Spektrallinie im Röntgenbereich bei einer Energie von 3,5 Kiloelektronenvolt (keV). Diese ungewöhnliche Röntgenstrahlung von Galaxien und Galaxienhaufen könnte ein Hinweis auf Dunkle Materie sein. Dieser Zusammenhang ist an sich nicht neu, denn es wurde früher schon in Erwägung gezogen, dass Dunkle Materie zerfällt und dabei Röntgenstrahlung aussendet.” Die Gruppe um Joachim Kopp verfolgt jedoch einen anderen Ansatz.

Anstelle von Zerfall haben die Wissenschaftler ein Szenario durchgerechnet, bei dem zwei Dunkle-Materie-Teilchen aufeinandertreffen und miteinander zerstrahlen, ein Prozess, der als Annihilation bezeichnet wird und beispielsweise auch beim Zusammentreffen eines Elektrons mit seinem Antiteilchen, dem Positron, stattfindet.

“Früher ist man davon ausgegangen, dass Paarvernichtung bei derart leichter Dunkler Materie nicht beobachtbar ist”, erklärt Kopp. “Wir haben unser neues Modell berechnet und mit experimentellen Daten verglichen, es passt alles viel besser zusammen als in älteren Modellen.”

Dunkle-Materie-Teilchen wären demnach sog. Fermionen mit einer Masse von nur wenigen Kiloelektronenvolt, häufig auch als “sterile Neutrinos” bezeichnet. Ein solches leichtes Teilchen gilt eigentlich als problematisch, weil es die Entstehung von Galaxien nicht hinreichend erklärt. “Diese Bedenken können wir ausräumen”, so Kopp und erklärt weiter: “Unser Modell hat einen eleganten Ausweg gefunden.”

Entscheidend sei zudem die Annahme, dass die Annihilation der Dunklen Materie ein zweistufiger Prozess ist: Es wird zunächst ein Zwischenzustand gebildet, der dann seinerseits in die beobachtete Röntgenstrahlung zerstrahlt. “Wir zeigen in unseren Berechnungen, dass sich die resultierende Röntgensignatur sehr gut mit den Beobachtungen deckt und damit eine neuartige Erklärung dafür bietet”.

Darüber hinaus sei das neue Modell so allgemein, dass es auch dann einen interessanten Ansatz für die Suche nach Dunkler Materie liefern würde, falls die 2014 entdeckte Spektrallinie andere Ursachen hat.

Schon jetzt arbeiten theoretische und experimentelle Physiker der JGU arbeiten aktuell an dem vorgeschlagenen ESA-Projekt “e-ASTROGAM” mit, das astrophysikalische Röntgenstrahlung mit bisher unerreichter Genauigkeit untersuchen könnte.

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Hubble entdeckt erste Galaxie im nahen Universum gänzlich ohne Dunkle Materie:


Hubble-Aufnahme der „durchsichtigen“ Galaxie NGC 1052-DF2, in der es keine Dunkle Materie zu geben scheint.
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Copyright: NASA, ESA, and P. van Dokkum (Yale University)
New Haven (USA) – Ein internationales Astronomen-Team hat mit dem Weltraumteleskop „Hubble“ erstmals eine Galaxie in unserer kosmischen Nachbarschaft entdeckt, in der es kaum bis gar keine Dunkle Materie zu geben scheint. Damit widerspricht die Existenz dieser Galaxie den bisherigen Theorien zur Galaxienentstehung.

Wie das Team um Pieter van Dokkum von der Yale University aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/nature25676) berichtet, befindet sich die Galaxie 65 Millionen Lichtjahre von uns entfernt. Obwohl sie deutlich größer ist als unsere Heimatgalaxie, die Milchstraße, beinhaltet sie zugleich jedoch 250 Mal weniger Sterne und wird deshalb als eine sehr diffuse Galaxie (engl. ultra diffuse galaxy, UDG) kategorisiert.

„Dieses Ding ist wirklich erstaunlich: Ein gigantischer Flecken, in dem es so wenige Sterne gibt, dass man hindurch dahinterliegende Galaxien sehen kann (s. Abb.)“, zeigt sich Dokkum erstaunt.

Anhand von Vermessungen der Galaxienmasse, stellten die Astronomen fest, dass NGC 1052-DF2 selbst eine Masse aufweist, die in etwa der ihrer eigenen Sterne entspricht. Damit besitzt die Galaxie rund 400 Mal weniger Dunkle Materie als dies für eine Galaxie dieser Masse eigentlich vorhergesagt wird. „Möglicherweise könnte sie sogar überhaupt keine Dunkle Materie besitzen“, so die Autoren des Fachartikels.

Eine Galaxie ohne Dunkle Materie wird jedoch von keiner bekannten Theorie zur Verteilung von Dunkler Materie und ihrem Einfluss auf die Galaxienentstehung vorhergesagt: „Dunkle Materie wird für gewöhnlich als wesentlicher Bestandteil aller Galaxien betrachtet. Sie ist sozusagen der Klebstoff, der Galaxien zusammenhält und bildet das zugrundeliegende Gerüst der Galaxienentstehung“, erläutert die Mitautorin der Studie Allison Merritt von der Yale University und dem Max-Planck-Institut für Astronomie und führt dazu weiter aus: „Diese unsichtbare, mysteriöse Substanz gilt bei Weitem als der dominierende Aspekt einer jeden Galaxien. Der Umstand, dass wir nun eine Galaxie gänzlich ohne Dunkle Materie entdeckt haben kommt absolut unerwartet und stellt die Standardideen darüber wie Galaxien überhaupt funktionieren in Frage.“

Wie die Wissenschaftler weiter erläutern, gibt es bislang keine Theorie, die einen solchen Galaxientypus vorhersagt oder erklärt, wie sie überhaupt entstehen könnten. Zugleich wiederspreche die Existenz einer solchen Galaxie aber auch jenen Theorien, die das Universum ohne Dunkle Materie zu erklären versuchen: „Die Entdeckung von NGC 1052-DF2 zeigt lediglich, dass Dunkle Materie auf irgendeine Weise auf von Galaxien getrennt sein kann. Das wiederum ist nur dann zu erwarten, wenn Dunkle Materie an gewöhnliche Materie einzig und alleine durch die Schwerkraft gebunden ist.“

Wenn natürlich noch spekulativ, so haben die Forscher aber zugleich auch schon Ideen formuliert, die die fehlende Dunkle Materie in NGC 1052-DF2 erklären können: So könnte es beispielsweise zu kataklysmischen Ereignissen wie der Geburt mehrerer massereicher Sterne gekommen sein, die sämtliche Gase und Dunkle Materie hinweggefegt haben. Auch könnte die nahegelegene elliptische Galaxie NG 1052 vor Jahrmilliarden eine Rolle im Mangel an Dunkler Materie in NGC 1052-DF2 gespielt haben.

Dennoch, so gestehen auch die Autoren der Studie abschließend ein, könne all dies noch nicht erklären, wie NGC 1052-DF2 überhaupt entstanden sei. Um diese Frage zu klären, suchen die Astronomen schon jetzt nach weiteren, an Dunkler Energie armen Galaxien.

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Dunkle Materie – Physiker suchen mit PADME nach „dunklem Photon“:


Symbolbild: Dunkles Photon (Illu.). Copyright: grenzwissenschaft-aktuell.de
Frascati (Italien) – An den Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) wollen italienische Physiker mit Hilfe des Nachweises eines „dunklen Photons“ die bislang zwar hypothetisch vom Standardmodell vorhergesagte aber immer noch nicht nachgewiesene Dunkle Materie aufspüren. Sollte das Experiment erfolgreich sein, wäre zudem auch eine bislang noch nicht beschriebene fünfte physikalischen Fundamentalkraft nachgewiesen.

Wie das INFN berichtet, handelt es sich bei einem „dunklen Photon“ um ein bislang nur hypothetisch angenommenes Teilchen, dass den bekannten Photonen elektromagnetischer Wellen (also den Wechselwirkungsteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung) zwar gleicht, im Gegensatz zu diesen aber eine – wenn auch nur geringe – Masse besitzt.

Grundlage für das Experiment ist die Hypothese dass Dunkle Materie eine bislang unbekannten fünften Grundkraft der Physik unterworfen sein könnte, wie sie bislang noch nicht von den vier bekannten Grundkräften (Gravitation, Elektromagnetismus, schwache und starke Kernkraft) beschrieben wurde und wie sie sich durch die Existenz eines Dunklen Photons offenbaren würde.

Hintergrund: Dunkle Materie
Außer mit der Schwerkraft, soll sogenannte Dunkle Materie weder mit normaler Materie und selbst nicht mit dem Licht interagieren – aber dennoch rund 23-27 Prozent der Materie unseres Universums ausmachen. Ihre Existenz wird im Standardmodell der Kosmologie vorwiegend damit begründet, dass die Rotation von Sternen um das Zentrum ihrer Galaxie ansonsten nicht wie beobachtet erfolgen könnte: Tatsächlich ist diese Geschwindigkeit in den Außenbereichen deutlich höher, als man es allein auf Grund der Gravitation der Sterne, Gas- und Staubwolken erwarten würde. Bislang fehlt jedoch jeglicher direkte Nachweis ihrer Existenz und es gibt es trotz intensiver Suche keinerlei Anzeichen, um welche Teilchen es sich dabei handeln könnte.

Unter normalen Umständen sollten kollidierende Elektronen und Anti-Elektronen, sogenannte Positronen einander entweder auslöschen und dabei ein Paar gewöhnlicher (sichtbarer) Photonen erzeugen. Sollte es aber auch „dunkle Photonen“ geben, so sollte bei den herbeigeführten Kollisionen und aus den darauf folgenden Auslöschungen nur ein sichtbares und eben ein (unsichtbares) „dunkles“ Photon hervorgehen


Das PADME-Instrument. Copyright: inf.infn.it

Unter normalen Umständen sollten kollidierende Elektronen und Anti-Elektronen, sogenannte Positronen einander entweder auslöschen und dabei ein Paar gewöhnlicher (sichtbarer) Photonen erzeugen. Sollte es aber auch „dunkle Photonen“ geben, so sollte bei den herbeigeführten Kollisionen und aus den darauf folgenden Auslöschungen nur ein sichtbares und eben ein (unsichtbares) „dunkles“ Photon hervorgehen.

In den kommenden Wochen soll im PADME-Experiment (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) versucht werden durch die Kollision von Elektronen und Positronen in einem Diamantgitter „dunkle Photonen“ gemeinsam mit einem einzelnen sichtbaren Photon entstehen zu lassen.
Sollte das Experiment erfolgreich sein und nur ein sichtbares Photon aus der Kollision hervorgehen, wollen die Wissenschaftler anhand der genauen Eigenschaften dieses sichtbaren Photons auf die seines unsichtbaren bzw. dunklen Begleiters, grundsätzlich zunächst einmal auf dessen Existenz und dann auf seine Masse (die es u.a. von gewöhnlichen Photonen unterscheidet) – rückschließen. Für das PADME-Instrument (s. Abb. l.) wird es in diesem Fall den Anschein haben, als sei ein Teil der erwarteten und messbaren Photonenenergie einfach und regelrecht verschwunden.

Damit hätten die PADME-Wissenschaftler dann nicht nur ein neuen Teilchen sondern also auch eine völlig neue Grundkraft nachgewiesen, denn sollten „dunkle Photonen“ existieren, wären diese eine Manifestation dieser fünften Grundkraft, des sogenannten Dunklen Elektromagnetismus.

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Neue Teleskopbeobachtungen offenbaren Lücken in aktuellen Theorien zur Dunklen Materie:


Diese Hubble-Aufnahme zeigt den massereichen Galaxienhaufen „MACSJ 1206“. Im Innern des Haufens sind auch verzerrtse Bilder von fernen Hintergrundgalaxien als verschwmierte, bogenförmige Flecken zu erkennen, Dieser Verzerrungen werden von unsichtbarer sog. Dunkler Materie im Innern der Galaxiencluster hervorgerufen, wenn deren Schwerkraft das Licht der Hintergrundgalaxien im sogenannten Gravitationslinseneffekt um sich herum biegt. Im hier gezeigten Bild wurde eine künstlerische Abbildung der nun ermitteleten Konzentration von Dunkler Materie im kleinen Maßstab über die Hubble-Aufnahme des Galaxienhaufens gelegt (blauer Schein).
Copyright: NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), the CLASH team, und M. Kornmesser (ESA/Hubble)

Bologna (Italien) – Neuste Beobachtungsdaten des Weltraumteleskops Hubble und des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (ESO) in Chile legen nahe, dass in den aktuellen Theorien zum Verhalten der Dunklen Materie möglicherweise Baustein fehlt. Dieser fehlende Bestandteil könnte einige Unterschiede zwischen theoretischen Vorhersagen und wirklichen Beobachtungsdaten zur Dunklen Materie erklären.
Wie das Team um Massimo Meneghetti vom INAF-Observatorium für Astrophysik und Weltraumforschung in Bologna aktuell im Fachjournal „Science“ (DOI: 10.1126/science.aax5164) berichtet, gibt es eine unerwartete Diskrepanz zwischen Beobachtungen zur Konzentrationen dunkler Materie in einigen Beispielen massereicher Galaxienhaufen und theoretischen Computersimulationen darüber, wie dunkle Materie in solchen Sternenclustern eigentlich verteilt sein sollte. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass einige kleine Konzentrationen dunkler Materie Linseneffekte hervorrufen, die zehnmal stärker sind als erwartet.

Hintergrund
Als „Dunkle Materie“ bezeichnen Astrophysiker jenen „unsichtbaren Klebstoff“, der Sterne, Staub und Gas in einer Galaxie zusammenhält. Die mysteriöse Substanz macht den größten Teil der Masse einer Galaxie aus und bildet die Grundlage für die großräumige Struktur unseres Universums. Da Dunkle Materie selbst aber kein Licht emittiert, absorbiert oder reflektiert, ist ihre Anwesenheit nur durch ihre Wechselwirkung, etwa durch ihre Anziehungskraft, auf sichtbare Materie im Raum zu bemerken. Bis heute wissen weder Astronomen noch Physiker, um was genau es sich bei der Dunklen Materie handelt.
Wie die Forscher und Forscherinnen berichten, sind Galaxienhaufen, die massereichsten und jüngst zusammengesetzten Strukturen im Universum, zugleich auch die größten Orte, an denen sich Dunkle Materie findet: „Solche Cluster bestehen aus einzelnen Mitgliedsgalaxien, die weitgehend durch die Schwerkraft der dunklen Materie zusammengehalten werden“, so Meneghetti und führt dazu weiter aus: „Galaxienhaufen sind ideale Laboratorien, um zu untersuchen, ob die derzeit verfügbaren numerischen Simulationen des Universums gut jene Beobachtungen reproduzieren, die wir anhand von Gravitationslinsen tatsächlich ableiten können.”

In ihrer aktuellen Studie haben die Astronomen und Astronominnen eine Vielzahl an Tests anhand der Beobachtungsdaten durchgeführt, und wir sind sicher, dass diese Nichtübereinstimmung zwischen Vorhersagen und tatsächliche Beobachtungen darauf hindeutet, dass „ein physikalischer Bestandteil entweder in den Simulationen oder in unserem Verständnis der Natur der dunklen Materie fehlt”.

“Es gibt ein Merkmal des realen Universums, das wir in unseren aktuellen theoretischen Modellen einfach nicht erfassen”, fügt Priyamvada Natarajan von der Yale University hinzu, einer der führenden Theoretiker des Teams. “Dies könnte eine Lücke in unserem derzeitigen Verständnis der Natur der Dunklen Materie und ihrer Eigenschaften signalisieren, da diese exquisiten Daten es uns ermöglicht haben, die detaillierte Verteilung der Dunklen Materie auf kleinsten Skalen zu untersuchen.”

Die Verteilung der dunklen Materie in den Sternenhaufen wird durch Messung der von ihnen erzeugten Verzerrung bzw. Biegung des Lichts – des Gravitationslinseneffekts – deutlich. Die Schwerkraft der in Clustern konzentrierten dunklen Materie vergrößert und verzerrt das Licht von Objekten im fernen Hintergrund. Dieser Effekt erzeugt Verzerrungen in den Formen von Hintergrundgalaxien, die in Bildern der Cluster erscheinen. Diese Gravitationslinsen können oft auch dazu führen, dass mehrere Bilder derselben entfernten Galaxie rund um einen Galaxienhaufen erscheinen: „Je höher die Konzentration der dunklen Materie in einem Cluster ist, desto dramatischer ist ihre Lichtbiegewirkung“, erläutern die Forscher. „Das Vorhandensein kleinerer Klumpen dunkler Materie, die mit einzelnen Clustergalaxien assoziiert sind, erhöht das Ausmaß der Verzerrungen. In gewissem Sinne fungiert der Galaxienhaufen als großflächige Linse, in die viele kleinere Linsen eingebettet sind.“


Beispiele der untersuchten Galaxienhaufen und ihrer Gravitationslinseneffekte.
Copyright: NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), und the CLASH team

Die gestochen scharfen Hubble-Aufnahmen wurden mit der „Wide Field Camera 3“ und der „Advanced Camera for Surveys“ des Weltraumteleskops erstellt. In Verbindung mit Spektren des „Very Large Telescope“ (VLT) erstellte das Team um Meneghetti eine genaue Karte der Dunklen Materie mit hoher Wiedergabetreue. Durch Messung der Linsenverzerrungen konnten Astronomen die Menge und Verteilung der Dunklen Materie unter anderem in den Galaxienhaufen MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 und Abell S1063 ermitteln.

Zur Überraschung der Astronomen, zeigten die Hubble-Aufnahmen neben den dramatischen Bögen und länglichen Merkmalen entfernter Galaxien, die durch die Gravitationslinsen jedes Clusters erzeugt wurden, auch eine unerwartete Anzahl kleinerer Bögen und verzerrter Bilder, die in der Nähe des Kerns jedes Clusters miteinander verschachtelt waren, dort also wo die massereichsten Galaxien existieren. Die Forscher glauben nun, dass diese verschachtelten Linsen durch die Schwerkraft dichter Materiekonzentrationen in den einzelnen Clustergalaxien erzeugt werden. Anhand spektroskopischer Beobachtungen konnten die Wissenschaftler dann die die Geschwindigkeit der Sterne vermessen, die im Innern mehrerer Clustergalaxien kreisen, und so auch ihre Massen bestimmen.


Hubble-Aufnahme des Galaxienhaufens „MACS J0416.1–2403“. Auch hier sind zahlreiche Gravitationslinseneffekte zu erkennen.
Copyright: ESA/Hubble, NASA, HST Frontier Fields

“Die Geschwindigkeit der Sterne erlaubt uns eine Schätzung der Masse jeder einzelnen Galaxie, einschließlich der Menge an Dunkler Materie”, fügte Teammitglied Pietro Bergamini, ebenfalls vom INAF-Observatorium hinzu.

Durch die Kombination von Hubble-Bildgebung und der VLT-Spektroskopie konnten die Astronomen Dutzende von mehrfach abgebildeten Hintergrundgalaxien mit Gravitationslinsen identifizieren und so eine gut kalibrierte, hochauflösende Karte der Massenverteilung der Dunklen Materie in jedem Cluster zusammenzustellen.

Diese Karten der Dunklen Materie verglichen die Forschenden dann mit Proben simulierter Galaxienhaufen mit ähnlichen Massen, die sich in ungefähr gleichen Entfernungen befanden. Die Galaxienhaufen im Computermodell zeigten auf den kleinsten Skalen – jenen Skalen, die mit einzelnen Clustergalaxien assoziiert sind – jedoch nicht die gleiche Konzentration der tatsächlichen Dunklen Materie.

Quelle: Spacetelescope.org, ESA
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Theoretiker sehen Schlüssel zur Dunklen Materie in der 5. Dimension:



Symbolbild (Illu.)
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Mainz (Deutschland) – Eine neue Theorie, „die über das Standardmodell der Teilchenphysik hinausgeht und Fragen beantworten kann, bei denen das Standardmodell passen muss“, könnte u. a. dabei helfen, das Rätsel der Dunklen Materie zu lösen.
Wie die Gruppe um Prof. Dr. Matthias Neubert und Javier Castellano Ruiz vom Exzellenzcluster PRISMA+ an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und Adrian Carmona von der spanischen Universidad de Granada aktuell im Fachjournal „European Physical Journal C“ (DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-08851-0) berichtet, liefert die Theorie, an der sie arbeiten, beispielsweise Antworten auf Fragen in Bezug auf die Massen der Elementarteilchen oder die Existenz der Dunklen Materie.

Zentrales Element der Theorie ist demnach eine Extradimension in der sogenannten Raum-Zeit. Während die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen bislang vor dem Problem standen, dass die Vorhersagen ihrer Theorie nicht experimentell überprüfbar waren, konnte dieses Hindernis nun überwunden werden.

Hintergrund
Bereits in den 1920er-Jahren spekulierten Theodor Kaluza und Oskar Klein anlässlich ihrer Suche nach einer vereinheitlichten Theorie der Schwerkraft und des Elektromagnetismus darüber, dass es neben den uns aus dem Alltag vertrauten drei räumlichen Dimensionen und der Zeit – zusammengefasst in der vierdimensionalen Raum-Zeit der Physik – weitere Raumdimensionen geben könnte. Diese wären allerdings winzig klein und für den Menschen nicht wahrnehmbar. In den späten 1990er-Jahren erlebte diese Idee eine bemerkenswerte Renaissance, als erkannt wurde, dass die Existenz einer fünften Dimension einige der offenen Fragen der Teilchenphysik beantworten kann. So haben etwa Yuval Grossman von der Universität Stanford und Matthias Neubert, zu dieser Zeit Professor an der Cornell Universität in den USA, in einer vielbeachtenden Arbeit gezeigt, dass durch die Einbettung des Standardmodells der Teilchenphysik in eine fünfdimensionale Raum-Zeit die bis dahin mysteriösen Muster in den Massen der bekannten Elementarteilchen erklärt werden können. Wiederum 20 Jahre später machte die Gruppe um Prof. Dr. Matthias Neubert, der seit 2006 an der JGU forscht und lehrt und dort Sprecher des Exzellenzclusters PRISMA+ ist, eine weitere unerwartete Entdeckung: Sie fanden heraus, dass die fünfdimensionalen Feldgleichungen die Existenz eines neuen schweres Teilchens vorhersagen, das sich ähnlich wie das Higgs-Boson des Standardmodells verhalten sollte, dessen Masse aber um ein Vielfaches schwerer ist – so schwer, dass es selbst am weltweit größten Teilchenbeschleuniger LHC am Europäischen Forschungszentrum CERN bei Genf nicht produziert und nachgewiesen werden kann.
(Quelle: JGU)
“Es war wie verhext. Wir waren begeistert von der Idee, dass unsere Theorie die Existenz eines neuen Elementarteilchens vorhersagt, aber uns fehlte die Möglichkeit, diese Hypothese in absehbarer Zeit experimentell zu überprüfen”, erinnert sich Castellano Ruiz, der als Doktorand in Mainz maßgeblich an den theoretischen Forschungen beteiligt ist.

Den Ausweg aus dem bisherigen Dilemma, beschreiben die theoretischen Physiker in ihrem Fachartikel: Das postulierte neue Teilchen vermittelt zwangsläufig eine Wechselwirkung zwischen den bekannten Elementarteilchen und der mysteriösen Dunklen Materie im Universum. Sogar die beobachtete Menge an Dunkler Materie, die aus astrophysikalischen Beobachtungen bestimmt wurde, lasse sich nun im Rahmen der neuen Theorie erklären.

Auf diese Weise bieten sich interessante neue Möglichkeiten für die Suche nach den Bausteinen der Dunklen Materie – eben sozusagen über den Umweg durch die fünfte Dimension – sowie Einblicke in die frühe Geschichte des Universums, während der die Dunkle Materie produziert wurde.

“Nach Jahren, in denen wir intensiv nach möglichen Bestätigungen unserer theoretischen Vorhersagen gesucht haben, sind wir nun zuversichtlich, dass der von uns entdeckte Mechanismus die Dunkle Materie erklärt und dabei helfen wird, diese experimentell nachzuweisen. Denn die Eigenschaften der Wechselwirkung zwischen der sichtbaren und der Dunklen Materie – die das von uns postulierte Teilchen vermittelt – werden von der Theorie präzise vorhergesagt”, so Neubert.

Zwar lasse sich das neue Teilchen zunächst nicht direkt, sondern nur über seine Wechselwirkung nachweisen, doch zeige das beschriebene, wie sich experimentelle und theoretische Grundlagenforschung ergänzen können, die die Forschenden aus Mainz und Granada abschließend.

Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
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Das Rätsel der dunklen Materie:
https://archive.org/details/das-ratsel-d...en-materie-arte

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Astronomen finden erste Hinweise auf einen Stern aus Dunkler Materie:


Grafische Darstellung eines Bosonen-Sterns (Illu.).
Copyright: Pombo u. Ippocratis / ArXiv.org

Prag (Tschechische Republik) – Ein ferner sonnenähnlicher Stern scheint ein unsichtbares Objekt zu umkreisen, von dem zwei Astronomen nun glauben, dass es sich nicht um ein Schwares Loch, sondern um einen bislang nur theoretisch angedachten „unsichtbaren Stern“, ein Objekt aus Dunkler Materie handeln könnte.
Wie die Astronomen Alexandre M. Pombo und Ippocratis D. Saltas vom Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences (CEICO) vorab via ArXiv.org berichten, besitzt der bekannte sonnenähnliche Stern 0,93 Sonnenmassen. Dieser Stern umkreist ein Objekt, das etwa 11 Sonnenmassen zu besitzen scheint. Die beiden Objekte – der Stern und sein unsichtbarer Begleiter – umkreisen sich in einer Distanz von 1,4 astronomischen Einheiten und benötigen für eine vollständige Umrundung 188 Tage. Entdeckt wurde das System in den Daten des europäischen Gaia-Satelliten. Bislang gingen Astronomen und Astronominnen jedoch davon aus, dass es sich bei dem unsichtbaren Begleiter lediglich um ein Schwarzes Loch handelt.

Schwarze Löcher entstehen, wenn Riesensterne kollabieren. Der sonnenähnliche Stern hätte also in der Nähe des Schwarzen Lochs entstehen und diesen in der Folge unbeschadet jahrmillionenlang umkreisen müssen und das gilt astrophysikalisch als sehr unwahrscheinlich. In ihrer Studie schlagen die beiden Astronomen nun vor, dass es sich bei dem Begleiter nicht um ein Schwarzes Loch, sondern um eine dichte Ansammlung aus Dunkler Materie handelt – einen Dunklen Stern.

Dunkle Materie gilt als unsichtbare Form von Materie, die die Mehrheit aller Materie im Universum ausmacht. Bislang hat die Wissenschaft noch keine feste Vorstellung von dieser Materieform. Die gängige Lehrmeinung ist jedoch die, dass sie gleichmäßig in den Galaxien verteilt ist. Einige Modelle vermuten jedoch, dass sich auch Dunkle Materie zusammenklumpen und so Sterne und Planeten bilden könnte. Eine Hypothese zur Dunklen Materie vermutet, dass diese aus sogenannten Bosonen bestehen könnte. Hierbei handelt es sich um Elementarteilchen, die als Träger der Naturkräfte fungieren. So handelt es sich beispielsweise bei einem Photon um ein Boson als Trägerteilchen der elektromagnetischen Kraft. Obwohl bislang erst bestimmte Varianten von Bosonen bekannt sind, gibt es theoretisch keinen Grund, dass es nicht auch eine weitere Vielzahl an Bosonen geben könnte – auch Bosonen, die keine Kräfte tragen und dennoch das Universum durchziehen. Diese Bosonen könnten sich dann auch zu Klumpen anhäufen und so ganze Sterne bilden. Astrophysiker sprechen bei diesen Objekten dann von „Bosonen-Sternen“. Diese wären vollständig unsichtbar und weil Dunkle Materie mit anderen Partikeln sowie mit Licht nicht wechselwirkt, könnten wir solche Objekte nur durch ihre Schwerkraftwirkung auf andere, sichtbare Objekte ausmachen.
Tatsächlich erläutern Pombo und Saltas nun, dass ein Bosonen-Stern die Gaia-Daten sehr gut erklären könnte, indem dieser das bislang vermutete Schwarze Loch ersetzt. Allerdings seien weitere Beobachtungen nötig, um die Hypothese zu überprüfen.

Recherchquelle: ArXiv.org
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Dunkle Materie:
https://archive.org/details/gunther-hasinger-dunkle-materie