Die Debatte über kalte dunkle Materie heizt sich auf, während Astronomen ihre Temperatur messen

Dunkle Materie ist seit langem eines der mysteriösesten Dinge im Kosmos. Es wurde erstmals in den 1930er Jahren als Idee vorgeschlagen, die Bewegung von Sternen in einigen Galaxien zu untersuchen. Die ersten soliden Beweise für dunkle Materie wurden von Vera Rubin gesammelt, die die Rotationsbewegung von Galaxien untersuchte. Die Bewegung dieser Galaxien summierte sich nicht, es sei denn, sie enthielten eine große Menge unsichtbarer Masse. Es muss eine exotische, unsichtbare Materie geben, die anders ist als alles, was bisher bekannt war.

Wenn dunkle Materie existiert, muss sie zwei Haupteigenschaften haben. Erstens kann es nicht stark mit Licht interagieren, sonst würden wir es sehen und es wäre nicht „dunkel“. Zweitens muss es gravitativ mit anderer Materie wechselwirken, damit sich sichtbare Materie auf seltsame Weise bewegen kann. Wir wissen von mehreren Dingen, die diese Bedingungen erfüllen, wie Neutrinos oder winzige Schwarze Löcher, aber das kann keine Dunkle Materie sein. Wir wissen dies zum Teil, weil wir jetzt in der Lage sind, seine Temperatur zu messen.

Während einige Astronomen Alternativen zur Dunklen Materie vorgeschlagen haben, wie etwa bestimmte Modelle der „modifizierten Gravitation“. Diese stimmen nicht gut mit Beobachtungen überein. Dunkle Materie beeinflusst nicht nur die Rotation von Galaxien. Wie alle Masse lenkt es Licht gravitativ ab. Durch die Beobachtung der Gravitationslinseneffekte von Galaxien können wir die Verteilung ihrer dunklen Materie bestimmen. Dunkle Materie beeinflusst auch, wie sich Galaxien zusammenballen. Mit anderen Worten, dunkle Materie treibt die großräumige Struktur des Universums an. Bei Beobachtungen von Galaxienhaufen stellen wir fest, dass dunkle Materie kalt zu sein scheint.

Bewegung von Atomen in einem Gas. Quelle: Greg L bei der englischen Wikipedia

Bei einem idealen Gas hängt seine Temperatur davon ab, wie schnell die Atome herumprallen. Je schneller sie sich bewegen, desto mehr kinetische Energie haben sie und desto höher ist die Temperatur des Gases. Die Temperatur eines Gases hängt auch von der Masse der Atome ab. Die kinetische Energie eines Atoms hängt von der Masse ab, daher muss sich ein Atom mit kleiner Masse schneller bewegen als ein Atom mit großer Masse, um die gleiche kinetische Energie zu haben. Bei gleicher Temperatur bewegen sich die Atome eines „schwereren“ Gases langsamer als die eines „leichteren“ Gases.

Dunkle Materie ist vielleicht kein ideales Gas, aber wir wissen, dass sie nicht stark mit sich selbst wechselwirkt, daher gilt die gleiche allgemeine Regel. Die Temperatur der Dunklen Materie hängt von der Bewegung und Masse ihrer Teilchen ab.

Karte der Verteilung von Galaxien. Kredit: M. Blanton und das SDSS.

Auf kosmischer Skala versucht die Schwerkraft, Dunkle Materie in Klumpen zu kollabieren, und die Bewegung der Dunklen Materie versucht sich aufgrund ihrer Bewegung auszubreiten. Dies bedeutet, dass dunkle Materie dazu neigt, sich zu Klumpen zu gruppieren. Die Skala, in der diese Verklumpung auftritt, sagt uns die Temperatur der Dunklen Materie und damit die Masse ihrer Teilchen.

Das Standardmodell der Kosmologie besagt, dass dunkle Materie kalt ist. Dies bedeutet, dass Teilchen der Dunklen Materie eine hohe Masse haben. Sie werden oft als schwach wechselwirkende Massive Teilchen oder WIMPs bezeichnet. Das Modell der kalten dunklen Materie funktioniert gut auf der Skala von Galaxienhaufen, aber nicht so gut auf der Skala einzelner Galaxien. Eine Möglichkeit, die Temperatur der Dunklen Materie zu messen, besteht darin, zu bestimmen, in welcher Größenordnung Klumpen zerfallen.

Mit der Gravitationslinsentechnik konnte ein Team untersuchen, wie das Licht von entfernten Quasaren durch dazwischenliegende kleine Klumpen dunkler Materie beeinflusst wird. Bildnachweis: NASA/ESA/D. Spieler (STScI)

Kürzlich hat ein Team diese Skala gemessen, indem es sich sieben Linsenquasare angeschaut hat. Hier hat ein weit entfernter Quasar aus unserer Sicht eine Galaxie vor sich. Das Licht des Quasars wird wie eine Linse um die Galaxie abgelenkt. Durch die Messung dieser Linsenquasare konnte das Team die Skala der Dunklen Materie eingrenzen. Daraus ermittelten sie die Temperatur der Dunklen Materie und damit eine Mindestmasse für Dunkle-Materie-Teilchen.

Hubble-Bilder, die vier verzerrte Bilder eines Hintergrundquasars und seiner Wirtsgalaxie zeigen, die den zentralen Kern einer massereichen Vordergrundgalaxie umgibt. Bildnachweis: NASA/ESA/A. Nierenberg (JPL)/T. Treu (UCLA)

Sie fanden heraus, dass die Masse für Teilchen der Dunklen Materie mindestens 5,58 keV betragen muss. Dies ist 3.000-mal massereicher als Neutrinos, aber fast 100-mal kleiner als die Masse eines Elektrons. Dieser letzte Punkt ist interessant, da die meisten WIMP-Modelle für eine Teilchenmasse argumentieren, die 100-mal schwerer ist als die eines Protons. Wenn dunkle Materieteilchen hell sind, dann wären sie sicherlich schon in Teilchenbeschleunigerexperimenten nachgewiesen worden.

Diese Studie spricht zwar nicht gegen kalte dunkle Materie, lässt aber auch warme dunkle Materie zu. Die Autoren sagen, sie müssten sich weitere vier Dutzend Quasare mit Linsen ansehen, um die Dinge genau zu bestimmen. Man könnte also sagen, dass sich die Debatte um kalte dunkle Materie zu heizen beginnt.

Referenz:Hsueh, Jen-Wei, et al. ' SCHARF–VII. Neue Beschränkungen der freien Strömung der warmen Dunklen Materie und der Substrukturhäufigkeit von Quasaren mit anomaler Linse im Flussverhältnis . '