Schwerer Schlag für die Theorie der Dunklen Materie?

Künstlerische Darstellung der erwarteten Verteilung der Dunklen Materie um die Milchstraße Quelle: Grafik: ESO/L. Calçada (idw)

Die bisher genaueste Untersuchung der Bewegungen von Sternen in der Milchstraße hat keinen Hinweis auf die Existenz so genannter Dunkler Materie in einem großen Raumbereich rund um die Sonne ergeben. Gängigen Theorien zufolge sollte es in unserer kosmischen Nachbarschaft beachtliche Mengen dieser rätselhaften Materie geben, die sich jedoch nur durch ihre Schwerkraftwirkung verraten würden. Nun hat eine neue Studie von Astronomen an chilenischen Instituten eine Diskrepanz zwischen diesen Theorien und neuen Beobachtungen aufgezeigt. Versuche, Dunkle-Materie-Teilchen auf der Erde nachzuweisen, wären dann wenig erfolgversprechend.

Ein Team von Astronomen hat das MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop am La Silla-Observatorium der ESO und weitere Teleskope verwendet, um die Bewegungen von mehr als 400 Sternen in einer Entfernung von bis zu 13.000 Lichtjahren von der Sonne zu vermessen. Auf Grundlage dieses Datensatzes berechneten die Astronomen dann die Gesamtmasse aller Materie in der Umgebung der Sonne. Ihre Auswertung umfasst dabei ein viermal größeres Volumen als vorangehende Studien.

“Die von uns gefundene Gesamtmasse entspricht sehr genau der Masse aller sichtbaren Materie - also von Sternen, Staub und Gas - in der Sonnenumgebung”, erläutert Teamleiter Christian Moni Bidin vom Departamento de Astronomía der Universidad de Concepción in Chile. “Das lässt keinen Raum für zusätzliche Materie - die Dunkle Materie -, die wir eigentlich erwartet hätten. Sie hätte sich bei unseren Beobachtungen sehr deutlich zeigen müssen, aber sie ist einfach nicht da.”

Dunkle Materie ist eine geheimnisvolle Substanz, die nicht direkt zu sehen ist, sondern sich nur durch die Wirkung auf Materie in ihrer Nähe verrät. Dieser zusätzliche Bestandteil des Kosmos wurde ursprünglich postuliert, um zu erklären, warum sich die äußeren Bereiche der Galaxien - auch unserer Milchstraße - schneller als erwartet um die Galaxienzentren bewegen. Mittlerweile ist die Dunkle Materie darüber hinaus ein zentraler Bestandteil vieler Theorien zur Entstehung und Entwicklung der Galaxien.

Heute geht man allgemein davon aus, dass Dunkle Materie etwa 80% der gesamten Masse im Universum ausmacht [1] – und das, obwohl diese Materieform bisher allen Anstrengungen, ihre genauen Eigenschaften aufzuklären, erfolgreich widerstanden hat.. Auch die diversen Versuche, Dunkle Materie auf der Erde im Labor nachzuweisen, haben bislang keinen definitiven Nachweis erbringen können.

Für die Studie, deren Ergebnisse hier vorgestellt werden, haben die beteiligten Astronomen die Bewegungen der Sterne sehr genau vermessen, wobei ihr besonderes Augenmerk weit von der Milchstraßenscheibe entfernten Sternen galt. So konnten die Forscher Rückschlüsse auf die insgesamt vorhandene Menge an Materie ziehen [2]. Die Bewegungen der Sterne werden von der kombinierten Schwereanziehung aller vorhandenen Materie bestimmt. Sterne tragen dazu ebenso bei wie die in der Dunklen Materie verborgenen Masse.

Den von Astronomen favorisierten Modellen der Entstehung und Rotation von Galaxien zufolge sollte die Milchstraße von einem Halo aus Dunkler Materie umgeben sein. Dessen genaue Form ist zwar beim jetzigen Forschungsstand noch nicht bekannt, aber man erwartet auch in der Sonnenumgebung nennenswerte Mengen an Dunkler Materie. Der nun entdeckte Mangel an Dunkler Materie in unserer Nachbarschaft wäre nur durch eine sehr unwahrscheinliche Form des Halos zu erklären - wie zum Beispiel eine senkrecht zur Scheibe langgestreckte Struktur in Form eines Rugbyballs [3].

Den neuen Ergebnisse nach dürften wohl auch sämtliche Versuche, die Dunkle Materie hier auf der Erde durch die seltenen Wechselwirkungen zwischen Dunkler und normaler Materie nachzuweisen, nicht zum Erfolg führen.

“Trotz der neuen Resultate bleibt es eine Tatsache, dass die Milchstraße insgesamt viel schneller rotiert, als durch die normale Materie alleine erklärt werden kann. Wenn die Dunkle Materie also nicht dort gefunden wird, wo wir sie erwartet hätten, ist eine neue Lösung für das Problem der fehlenden Masse nötig. Unsere Ergebnisse widersprechen den derzeit anerkannten Modellen. Die Dunkle Materie ist damit noch ein Stück geheimnisvoller geworden. Zukünftige Messkampagnen wie die der GAIA-Mission der ESA werden von entscheidender Wichtigkeit sein, um in dieser Frage Fortschritte zu erzielen”, schließt Moni Bidin.

Endnoten

[1] Nach weitgehend anerkannten Theorien bestehen 83% der Materie im Universum aus Dunkler Materie, und 17% aus normaler Materie. Das Universum enthält darüber hinaus einen noch einmal deutlich größeren Anteil an Dunkler Energie, bei der man allerdings davon ausgeht, dass sie die Bewegung von Sternen in der Milchstraße nicht beeinflusst.

[2] Die Beobachtungen wurden mit dem FEROS-Spektrografen am MPG/ESO 2,2-Meter Teleskop, dem CORALIE-Instrument am schweizerischen 1,2 Meter-Leonhard-Euler-Teleskop, dem MIKE-Instrument am Magellan II-Teleskop und dem Echelle-Spektrografen am Irene du Pont-Teleskop durchgeführt. Die ersten beiden Teleskope befinden sich am La Silla Observatorium der ESO in Chile, die beiden letztgenannten am Las Campanas-Observatorium, ebenfalls in Chile. Insgesamt flossen mehr als 400 Beobachtungen von roten Riesensternen in die Studie ein, die in Richtung des südlichen galaktischen Pols liegen und deren Abstände zur galaktischen Ebene stark variieren.

[3] Die Theorien sagen voraus, dass die durchschnittliche Menge an Dunkler Materie in der Umgebung des Sonnensystems in jedem Raumbereich mit dem gleichen Volumen wie der Erde zwischen 0,4 und einem Kilogramm betragen sollte. Die neuen Messungen ergaben jedoch 0,00 +/- 0,07 Kilogramm Dunkle Materie pro Erdvolumen.

Quelle: Max-Planck-Institut für Astronomie (idw)