Schwefel statt Dunkler Materie

Ein mysteriöses Röntgen­signal von Galaxien­clustern hat unter Astronomen kürzlich für Aufregung gesorgt: Stammt es etwa von der Dunklen Materie, die rund 80 Prozent der Materie im Universum ausmacht, derer die Wissen­schaftler bislang aber nicht habhaft werden? Um zur Beantwortung dieser Frage beizutragen, prüften Physiker des Heidel­berger Max-Planck-Instituts für Kernphysik im Labor eine alter­native Erklärung. Demnach muss die Suche nach der schwer fassbaren Materieform weitergehen. Denn das rätselhafte Röntgen­signal könnte von hoch­geladenen Schwefelionen stammen, die Elektronen von Wasser­stoffatomen einfangen.

Vor rund zwei Jahren funkte der Röntgen­satellit XMM-Newton Daten zur Erde, die bei Astro­physikern große Hoffnungen weckten. Er hatte aus mehreren Galaxien­clustern schwache Strahlung bei einer Energie von etwa 3,5 keV aufgefangen, die sich die Forscher nicht sofort anhand der bekannten Röntgen­spektren erklären konnten. Schnell kamen Speku­lationen auf, dass es sich um Signale von zerfal­lenden Teilchen der Dunklen Materie handeln könnte – das wäre die erste handfeste Spur der lang­gesuchten Materie­form gewesen. Die Hoffnung bekam jedoch bald einen ersten Dämpfer: Die Regionen, in denen XMM-Newton die Röntgen­strahlung beobachtete, passten nicht zur räum­lichen Verteilung, die astro­physikalische Analysen für die Dunkle Materie vorher­sagten.

Zudem gibt es noch reichlich physika­lische Prozesse, von denen Astronomen nicht wissen, welche Finger­abdrücke sie in Röntgen­spektren hinterlassen, die als mögliche Ursache des rätsel­haften Signals also noch nicht auszuschließen sind. Denn die spektralen Daten in den Tabellen­werken, anhand derer Forscher astro­nomische Spektren auswerten, sind noch unvoll­ständig. Zum Teil beruhen sie auch auf theore­tischen Annahmen und sind entsprechend unzu­verlässig.

Eine Lücke in den Röntgen­daten haben Physiker um José Crespo vom Max-Planck-Institut für Kernphysik, nun mit ihren Experi­menten geschlossen. Und sie stützen damit einen Vorschlag ihrer nieder­ländischen Kooperations­partner Liyi Gu und Jelle Kaastra, was die Ursache der Röntgen­strahlung sein könnte. Nach Berech­nungen der beiden Forscher des SRON Netherlands Institute for Space Research könnte die mysteriöse Linie nämlich daher rühren, dass nackte Schwefel­kerne (S¹⁶⁺) jeweils ein Elektron von Wasserstoff­atomen aufnehmen.

Hochge­ladene Ionen sind häufig im heißen Medium zwischen den Galaxien eines Clusters anzutreffen, und auch komplett ionisierter Schwefel ist ausreichend vorhanden. „Anschaulich gesprochen, funktioniert der Ladungs­austausch so“, erläutert José Crespo den Vorgang: „Die hohe Ladung des S¹⁶⁺-Ions saugt quasi das Elektron des H-Atoms an. An­schließend gibt es Energie in Form von Röntgenlicht ab.“ Für die Messungen verwendeten die Physiker eine Elektronen­strahl-Ionenfalle. Zunächst inji­zierten sie einen extrem dünnen Strahl einer flüchtigen Schwefel­verbindung in das Vakuum der Apparatur. Die Elektronen, mit denen sie die Moleküle dann beschossen, zerlegten die Moleküle und schlugen den Atomen ihre Elektronen weg – wie viele, hängt von der Energie des Elektronen­strahls ab. So können sie gezielt die gewünschten hochgeladenen Schwefel-Ionen erzeugen.

Nun schalteten die Forscher den Elektronen­strahl für einige Sekunden aus, um beobachten zu können, wie nackte Schwefel-Ionen Elektronen von noch nicht zerstörten Molekülen absaugen. Die Elektronen besitzen zunächst viel Energie, wenn sie von den S¹⁶⁺-Ionen eingefangen werden, geben die Energie aber in Form von Röntgenlicht ab. Die energie­reichste dieser Emissionen lag bei etwa 3,47 keV – also ziemlich nahe bei der mysteriösen Linie, die XMM-Newton registriert hatte. „Um unsere Inter­pretation abzusichern, haben unsere Kollegen aus den Nieder­landen Modell­rechnungen zum Ladungs­austausch durchgeführt, die unsere Daten sehr gut erklären können“, sagt Chintan Shah, der an den Experimenten maßgeblich mitwirkte.

Dass die nackten Schwefel­ionen die Elektronen in den Heidel­berger Expe­rimenten unzer­störten Molekülen der flüchtigen Schwefel­verbindung und nicht Wasser­stoffatomen entrissen, spielt für das Röntgen­spektrum keine Rolle. Denn die Röntgen­strahlung entsteht erst, wenn die Elektronen im Schwefel Energie verlieren. „Berück­sichtigt man die Ungenauig­keiten der astro­physikalischen Messungen und die experimentellen Unsicher­heiten, wird also klar, dass der Ladungs­austausch zwischen nacktem Schwefel und Wasserstoff­atomen das mysteriöse Signal bei etwa 3,5 keV hervor­ragend erklären kann“, bringt José Crespo das Resultat auf den Punkt. Die Suche nach der Dunklen Materie muss also weiter­gehen.

MPG / JOL