„Ungewöhnliche Wolke aus Dunkler Materie“

Welt der Physik: Wie ist es überhaupt möglich, Dunkle Materie zu identifizieren?

Simona Vegetti

Simona Vegetti: Dunkle Materie wechselwirkt nach allem, was wir heute wissen, nur über ihre Schwerkraft mit der normalen Materie. Die einzige Chance, Dunkle Materie nachzuweisen, besteht deshalb darin, ihre Anziehungskraft zu untersuchen. Dazu gibt es im Wesentlichen zwei Methoden: Erstens kann man etwa die Rotationsbewegung von Galaxien studieren. So fliegen die Sterne in Galaxien nur deshalb nicht aus ihrer Galaxie heraus, weil sie von der Dunklen Materie festgehalten werden, die sich ebenfalls in der Galaxie befindet. Mit solchen Beobachtungen ist man ursprünglich auf die Existenz der Dunklen Materie gestoßen. Es gibt aber noch eine andere Methode, die auch wir nun genutzt haben: Dunkle Materie lenkt ebenso wie normale Materie aufgrund ihrer Anziehungskraft Licht und andere elektromagnetische Strahlung ab – sie wirkt also als Gravitationslinse.

Um den Gravitationslinseneffekt nachzuweisen, muss die Masse der Dunklen Materie aber sehr groß sein, oder?

Genau. Deshalb war bislang es nur gelungen, Konzentrationen von Dunkler Materie im Bereich von gut einer Milliarde Sonnenmassen über ihre Wirkung als Gravitationslinse nachzuweisen. Diese Marke konnten wir mit unseren neuesten Beobachtungen nun deutlich nach unten setzen. Wir haben eine ungewöhnliche leichte Wolke aus Dunkler Materie gefunden, die nur rund eine Million Sonnenmassen aufwies.

Wie gelang Ihnen diese Entdeckung?

Wir haben eine weit entfernte Gravitationslinse – eine Galaxie – mithilfe eines Verbunds von Radioteleskopen untersucht. Hinter der Gravitationslinse befindet sich eine weitere Galaxie, deren Licht aus der Frühzeit des Kosmos stammt, als das Universum rund drei Milliarden alt war – also knapp ein Viertel des jetzigen Alters. Wir haben aber nicht das sichtbare Licht dieser Galaxie untersucht, sondern die Radiostrahlung, die sie abgibt. Diese stammt aus dem riesigen Jet, den das supermassereiche Schwarze Loch im Zentrum dieser Galaxie ausstößt. Dieser Jet ist extrem stark und deshalb auch über große kosmische Distanzen gut nachweisbar. Und die Galaxie, die als Gravitationslinse wirkt, befindet sich auf etwas mehr als halber Strecke zwischen uns und dieser Galaxie.

Welchen Effekt übt diese Galaxie auf die Radiostrahlung aus, die von der hinteren Galaxie abgegeben wird?

Gravitationslinsen erzeugen häufig Mehrfachbilder des hinter ihnen liegenden Objekts. In seltenen Fällen kommt es zu perfekten Einstein-Ringen, wenn Quelle und Linse exakt hintereinander liegen. Dann sieht man das Licht der weiter entfernten Galaxie als ringförmigen Schein um die vordere Galaxie. Aber meistens erhält man keine Ringe, sondern bogenförmig verzerrte, mehrfache Abbildungen – so auch hier. Das liegt daran, dass die beiden Galaxien nicht genau hintereinander in unserer Sichtlinie liegen, sondern leicht versetzt.

Wie haben Sie diese verzerrten Abbildungen nun analysiert?

Ungewöhnliche Massenkonzentration

Wir haben uns die Bogenstrukturen im Detail angeschaut. Dabei ist uns aufgefallen, dass sie Unterstrukturen aufweisen, die nur durch eine zusätzliche Gravitationslinse erklärbar sind. Entlang des „Lichtpfades“, den die Radiowellen aus dem Jet der hinteren Galaxie genommen haben, muss es also eine weitere Massenkonzentration geben. Es lag die Vermutung nahe, dass es sich dabei um Dunkle Materie handelt. Um diese Details überhaupt zu sehen, mussten wir insgesamt 21 Radioteleskope in Europa und Amerika mit einer Technik namens Interferometrie zusammenschalten. Mit herkömmlichen optischen Teleskopen wäre die dadurch erreichte Auflösung gar nicht möglich gewesen – nicht einmal mit dem James Webb Space Telescope.

Und was haben Sie nun aus diesen Unterstrukturen über die mögliche Ansammlung von Dunkler Materie gelernt?

An dieser Fragestellung haben wir jahrelang gearbeitet. Denn für uns sind hier mehrere Punkte von Interesse. Erstens wollten wir bestimmen, wie groß die Gesamtmenge an Dunkler Materie in dieser Massenkonzentration ist. Diese konnten wir auf rund eine Million Sonnenmassen eingrenzen, was eine neue Rekordmarke bedeutet. Bislang ließen sich nur deutlich größere Konzentrationen an Dunkler Materie identifizieren. Und zweitens wollten wir wissen, ob es sich wirklich um Dunkle Materie handelt und nicht etwa um einen Sternhaufen.

Aber in diesem Fall spricht alles für Dunkle Materie?

Ja. Denn wir haben in einer zweiten Studie im Detail nun alle möglichen Szenarien analysiert, auf welche Weise eine Gravitationslinse die Bilder erzeugt haben könnte, die wir mit den Radioteleskopen gesehen haben. Diese Szenarien haben wir viele Stunden lang mithilfe von Supercomputern untersucht und dafür neue Analyseprogramme geschrieben. Dank der guten Beobachtungsbedingungen und der hohen Datenqualität haben wir so einen klaren Favoriten für die Massenkonzentration gefunden: Und zwar eine sehr konzentrierte Masse im Zentrum – vermutlich ein relativ großes Schwarzes Loch mit rund 100 000 Sonnenmassen – und darum eine Art Wolke aus Dunkler Materie mit insgesamt einer Million Sonnenmassen. Diese Konstellation scheint am besten zu passen. Andere Szenarien, etwa Kugelsternhaufen, sind nicht mit den Daten verträglich.

Lassen sich daraus auch neue Erkenntnisse über Dunkle Materie gewinnen?

Gravitationslinseneffekt

Die Dunkle Materie scheint in diesem Fall auf einen relativ kleinen Raumbereich konzentriert zu sein, nämlich auf einen ungefähr kugelförmigen Halo von rund 260 Lichtjahren. Und das wirft einige Fragen auf. Denn normalerweise gehen Kosmologinnen und Kosmologen davon aus, dass Dunkle Materie sowohl mit normaler Materie als auch mit anderer Dunkler Materie nur über die Schwerkraft in Wechselwirkung tritt. Aber wenn sie so konzentriert vorliegt, könnte das ein Hinweis darauf sein, dass die Teilchen der Dunklen Materie womöglich auch über andere, bislang unbekannte Wechselwirkungen miteinander in Kontakt treten könnten. Aber das werden die Theoretikerinnen und Theoretiker sich im Detail überlegen müssen!