Kann man dunkle Materie sehen?

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Neue Gammastrahlen-Teleskope könnten dunkle Materie erstmals "sehen" - dies versprechen Simulationen.

Unsere Milchstraße ist, wie die meisten anderen Spiralgalaxien auch, von einem ausgedehnten Halo unsichtbarer dunkler Materie umgeben. Der Halo ist mindestens zehnmal größer und zehnmal schwerer als der Teil, den wir sehen können.

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik (MPA) haben Supercomputersimulationen der Entwicklung eines solchen Halos durchgeführt, um die zu erwartende Struktur zu verstehen. Wenn die dunkle Materie aus so genannten Neutralinos besteht, dann könnte Gammastrahlung, die bei deren Selbstannihilation entsteht, mit Gammastrahlenteleskopen der nächsten Generation beobachtet werden. Die Astrophysiker fanden heraus, dass das geplante Teleskop GLAST gute Möglichkeiten besitzt diese Strahlung zu entdecken und damit die Natur der dunklen Materie zu enthüllen.

Abb. 1: Verteilung der Materiedichte des simulierten Milchstraßenhalos in logarithmischer Farbskala. Eine Bildkante entspricht einer Länge von 600.000 Lichtjahren. Falls zukünftige Teleskope die Annihilationsstrahlung nachweisen, dann wahrscheinlich aus einer Region im Zentrum der Galaxie die nur einige Prozent der Größe des hier gezeigten Bildes hat. (Quelle: MPA)

1933 untersuchte der schweizerische Astronom Fritz Zwicky die Geschwindigkeiten von Galaxien in Galaxienhaufen und fand ein überraschendes Ergebnis: Die Masse der beobachteten Galaxien war viel zu gering, um ihre Bewegungen in dem Galaxienhaufen zu erklären. Er schloss daraus, dass Galaxienhaufen neben den Galaxien noch aus weiterer, "dunkler" Materie bestehen.

Heute wissen wir, dass etwa 90% der Gesamtmasse im Universum nicht nur dunkel ist - also kein Licht aussendet -, sondern außerdem auch aus einer mysteriösen noch unbekannten Teilchenart bestehen muss. Das Geheimnis der Natur der dunklen Materie im Universum zu lüften ist eine der größten Herausforderungen der heutigen Kosmologie.

Einer der besten Teilchenkandidaten für die dunkle Materie ist ein Teilchen, das Neutralino genannt wird. Dieses Teilchen tritt auf natürliche Weise in Theorien auf, die das Standardmodell der Teilchenphysik erweitern. Diese supersymmetrischen Theorien führen eine neue Symmetrie ein - die Supersymmetrie -, die jedem Boson ein neues supersymmetrisches Fermion zuordnet und umgekehrt. Bisher wurde noch keines der neuen Teilchen entdeckt. Es wird angenommen, dass diese Teilchen zu große Energien besitzen, als dass sie mit heutigen Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden könnten.

Die Neutralinos könnten jedoch mit sich selbst annihilieren, wenn sie in dichten Regionen des Universums aufeinander treffen und neben weiteren Teilchen auch hochenergetische Gammastrahlung produzieren. Die Idee ist nun zu versuchen, diese Gammastrahlung nachzuweisen und so schließlich die Natur des Teilchens der dunklen Materie und seine Masse zu bestimmen. Die Stärke der Annihilation der dunklen Materie hängt sehr stark von der Dichte der dunklen Materie und damit von der genauen Struktur der Halos ab, die unsere und andere Galaxien umgeben. Das Hauptaugenmerk für den Nachweis liegt dabei auf unserer Milchstraße, vor allem da ihr Zentrum "nur" etwa 26.000 Lichtjahre entfernt ist.

Die Wissenschaftlergruppe am MPA hat große Supercomputer des Garchinger Rechenzentrums der Max-Planck-Gesellschaft verwendet, um die Entstehung eines Halos aus dunkler Materie ähnlich zu unserem eigenen mit bis jetzt unerreichter Auflösung zu simulieren (Abb. 1). Sie haben für unterschiedliche Parameter der supersymmetrischen Theorie die erwartete Stärke der Gammastrahlung berechnet und diese mit den Nachweisgrenzen zweier Gammastrahlenteleskope der nächsten Generation verglichen. Eines dieser Teleskope ist ein Satellit (The Gamma Ray Large Area Space Telescope, GLAST) das andere ein erdgebundenes Teleskop (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System VERITAS). Sie fanden heraus, dass mittels einer neuen Nachweisstrategie, die nach Gammastrahlung aus einem großen Bereich sucht (zehn oder zwanzig Grad vom galaktischen Zentrum entfernt), GLAST eine gute Chance haben wird, die Gammastrahlen zu entdecken. Wir könnten endlich in der Lage sein, die dunkle Materie zu "sehen" und ihre immer noch mysteriöse Natur zu enthüllen.

Felix Stoehr, Simon D. M. White, Volker Springel und Giuseppe Tormen

Quelle: MPI für Astrophysik

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  F. Stoehr, S. D. M. White, V. Springel und G. Tormen, "Dark Matter Annihilation in the Halo of the Milky Way", MNRAS 345, 1313 (2003). Abstract 
• Max-Planck-Institut für Astrophysik:
  http://www.mpa-garching.mpg.de/mpa/index-de.shtml 
• GLAST – The Gamma Ray Large Area Space Telescope:
  http://www-glast.stanford.edu 
• VERITAS – Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System:
  http://veritas.sao.arizona.edu 
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