Galaktische Kollisionen entlarven Dunkle Materie

Etwa achtzig Prozent der gesamten Materie im Kosmos bestehen offenbar aus Dunkler Materie. Diese Materieform tritt mit gewöhnlicher Materie – dem Stoff, aus dem Sterne, Planeten und Lebewesen sind – nur über die Schwerkraft in Wechselwirkung und ist ansonsten unsichtbar. Ein Astronomenteam aus der Schweiz und Großbritannien hat nun 72 Zusammenstöße von Galaxienhaufen untersucht und kann dadurch nicht nur mit der bislang höchsten statistischen Signifikanz die Existenz von Dunkler Materie bestätigen, sondern erstmals auch einige Modelle wie beispielsweise dunkle Protonen als Erklärung dafür ausschließen. Angewendet auf eine noch größere Anzahl von Kollisionen könnte das Verfahren künftig entscheidende Informationen über die Partikel der Dunklen Materie liefern, so die Wissenschaftler im Fachblatt „Science“.

Viele Galaxien, darübergelegt als leuchtende Wolke dargestellt die Verteilung der Dunklen Materie.
Galaxienhaufen MACS J0416.1-2403

„Zusammenstöße von Galaxienhaufen bieten uns die Möglichkeit, die nichtgravitativen Kräfte zu untersuchen, die auf die Dunkle Materie wirken“, erläutern David Harvey von der Sternwarte Genf und seine Kollegen. Diese Methode wurde von Astronomen erstmals am sogenannten Bullet Cluster angewendet. Bereits hier zeigte sich, dass sich die Dunkle Materie bei einer solchen Kollision zunächst nahezu ungehindert fortbewegt, während die normale Materie stark abgebremst wird. Die normale Materie tritt insbesondere über elektromagnetische Kräfte in Wechselwirkung und die Teilchen der Dunklen Materie scheinen sich auch untereinander nur über ihre Schwerkraft zu beeinflussen.

Harvey und seine Kollegen haben diese Methode nun auf 72 Kollisionen von Galaxienhaufen angewendet und dort die Verteilung der normalen und der Dunklen Materie untersucht. Insgesamt konnten die Forscher die obere Grenze für den Wirkungsquerschnitt einer nichtgravitativen Wechselwirkung der Teilchen der Dunklen Materie auf weniger als ein Fünftel des aus dem Bullet Cluster ermittelten Wertes senken. „Damit liegen wir nun unterhalb des Wirkungsquerschnitts von Protonen“, so Harvey, „die Dunkle Materie kann also nicht einfach aus einer Art dunkler Protonen bestehen.“ Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass zwischen zwei zueinander bewegten Teilchen eine bestimmte Wechselwirkung stattfindet.

Viele Erklärungsansätze für die Dunkle Materie gehen davon aus, dass das Standardmodell der Teilchenphysik erweitert werden muss – um Teilchen, die mit den Teilchen der normalen Materie ausschließlich über die Schwerkraft, untereinander aber sehr wohl über eine für normale Materie nicht wahrnehmbare Kraft wechselwirken können. Dunkle Protonen können Harvey und seine Kollegen nun bereits ausschließen, die Anwendung der Methode auf weitere Kollisionen könnte den Kreis möglicher Kandidaten weiter schrumpfen lassen, so die Forscher.

Die Untersuchung lässt aber keinen Zweifel mehr daran, dass es Dunkle Materie tatsächlich gibt. Viele der Dunklen Materie zugeschriebene Phänomene ließen sich zwar durchaus auch durch eine Modifikation des Gravitationsgesetzes erklären. Nicht jedoch das unterschiedliche Verhalten der gewöhnlichen und der Dunklen Materie bei Zusammenstößen von Galaxienhaufen. Harvey und seine Kollegen geben auf Basis ihrer Untersuchung eine Wahrscheinlichkeit von weniger als eins zu einer Billion dafür an, dass es keine Dunkle Materie gibt.