Astrophysiker lösen Rätsel um "kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe"

Seit bald zwanzig Jahren versuchen Wissenschaftler den Widerspruch im Modell der kalten Dunklen Materie - die so genannte "kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe" - aufzulösen. Jetzt ist es einer internationalen Forschungsgruppe mit Physikprofessor Lucio Mayer von der Universität Zürich bei der Simulierung der Entstehung von scheibenförmigen Zwerggalaxien gelungen, das Paradoxon zu lösen.

Kalte Dunkle Materie - bis heute arbeitet die Wissenschaft am positiven Nachweis ihrer Existenz. Viele astrophysikalische Phänomene sind nur erklärbar, wenn ihr Vorhandensein vorausgesetzt wird: Das Modell der kalten Dunklen Materie (CDM) erklärt beispielsweise die Verteilung der Galaxien und der Standardmaterie im Universum. Solange das Modell in sehr großen Dimensionen, d.h. in der Größenordnung von Milliarden von Lichtjahren angewendet wird, stehen Modellvoraussage und astronomische Beobachtungen im Einklang. Wird es dagegen in der Größenordnung von Einzelgalaxien - also in Dimensionen von hundert bis tausend Lichtjahren - eingesetzt, versagt das Modell und führt zu einem Paradox mit der gemessenen Realität.

Gemäß Modellvorhersage müsste das Zentrum einer Galaxie schneller rotieren als dies die astronomischen Messungen effektiv anzeigen. Das Modell sagt im Zentrum einer Galaxie eine wesentlich höhere Dichte an kalter Dunkler Materie voraus als dies der Fall sein kann. Seit bald zwei Jahrzehnten haben sich Astrophysiker, Teilchenphysiker und Astronomen bemüht, die "kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe", wie der Widerspruch von Fachleuten auch genannt wird, aufzulösen und ein Erklärungsmodell für das unterschiedliche Verhalten der dunklen Materie in unterschiedlichen Grössenordnungen zu finden. Alle Erklärungsversuche sind bis jetzt gescheitert oder führten zu weiteren unlösbaren Widersprüchen. Einer internationalen Forschungsgruppe, darunter Professor Lucio Mayer von der Universität Zürich als einer der drei wissenschaftlichen Leiter, ist es nun gelungen, mit einer aufwändigen Simulation das Rätsel zu lösen.

Simulation der Standardmaterie

Mayer und seine Kollegen simulierten die Entstehung von scheibenförmigen Zwerggalaxien. Anders als ihre Vorgänger modellierten sie nicht das allein durch die Gravitation gesteuerte Verhalten der kalten Dunklen Materie, sondern erstmals das hochkomplexe Verhalten der baryonischen Materie, wie die normale, sichtbare Materie auch genannt wird. Dunkle Materie macht in einer Galaxie mit 83 Prozent zwar den Löwenanteil aus, wird aber, wie die

Wissenschaftler jetzt in ihrer Publikation in "Nature" aufzeigen konnten, von der baryonischen Materie ebenfalls beeinflusst. Dank hoch auflösenden Simulationen, die den Einsatz von verschiedenen Supercomputern, darunter eines Nasa-Supercomputers erforderten, konnten Mayer und seine Kollegen im Modell nachweisen, dass bei einer Supernova-Explosion nicht nur Gase, sondern auch kalte Dunkle Materie aus dem Zentrum der Galaxie geschleudert werden. Bei Supernova-Explosionen werden mit einem Schlag große Mengen an normaler, sichtbarer Materie aus dem Zentrum der Galaxie entfernt: Dies führt dazu, dass sich die Dunkle Materie stärker ausdehnt, ihre Dichte abnimmt und sich folglich die Rotationsgeschwindigkeit der Zwerggalaxie verringert. Damit entsprechen sich erstmals mit dem CDM-Modell simulierte und natürliche Zwerggalaxien - der scheinbare Widerspruch zum Modell ist somit aufgelöst und die "kalte-Dunkle-Materie-Katastrophe" erklärbar geworden.

Konsequenzen für Astro- und Teilchenphysik

Die neuen Erkenntnisse werden Konsequenzen für die Teilchenphysik und einige der Methoden haben, um Dunkle Materie-Partikel zu detektieren. So beruht u.a. der Ansatz, Dunkle Materie-Partikel mittels ihrer Zerstrahlung in Gammastrahlung nachzuweisen, auf der Dichte der Dunklen Materie im Zentrum von Galaxien. Die Simulation sagt nun aber im Zentrum von Galaxien eine wesentlich geringere Dichte an Kalter Dunkler Materie voraus als bisher angenommen. Die erwarteten Strahlungssignale dürften deshalb deutlich schwächer als erwartet ausfallen und entsprechend weitaus sensiblere Detektoren erfordern. Und auch Lucio Mayer, der an der UZH eine Förderprofessur des Schweizerischen Nationalfonds innehat, wird das Thema "Entstehung von Galaxien" in Zukunft begleiten: Bereits ist einer seiner Doktoranden damit beschäftigt, die Entstehung von Scheibengalaxien mit einem sphärischen, zentralen Sternhaufen zu modellieren.

Quelle: Universität Zürich