Gammastrahlung im All: Forscher will mögliche Spur von Dunkler Materie gefunden haben

Etwa 85 Prozent der gesamten Materie im Kosmos ist dunkel und wurde noch nie direkt nachgewiesen: Sie sendet im Gegensatz zu normaler Materie keine Strahlung aus und verrät sich nur über ihre Schwerkraft. Doch es gibt eine kleine Ausnahme: Wenn Teilchen dieser Dunklen Materie miteinander kollidieren, könnten sie einander vernichten, also annihilieren, und dabei energiereiche Gammastrahlung erzeugen.

Neue Art von Teilchen

Der japanische Astrophysiker Tomonori Totani von der Universität Tokio hat jetzt einen Überschuss an Gammastrahlung aufgespürt, der mit den theoretischen Vorhersagen dieser sogenannten Annihilationsstrahlung übereinstimmt. Die Teilchen der Dunklen Materie hätten etwa die 500-fache Masse von Protonen, schreibt Totani im Fachblatt »Journal of Cosmology and Astroparticle Physics« .

»Es wäre das erste Mal, dass wir Dunkle Materie gewissermaßen sehen«, sagt Totani. »Und es würde zeigen, dass die Dunkle Materie aus Teilchen besteht, die nicht im Standardmodell der Physik enthalten sind.« Das Standardmodell beschreibt alle bekannten Elementarteilchen, aus denen etwa die Atome aufgebaut sind, darunter auch die Protonen im Atomkern.

Jahrzehntealtes Rätsel

Bereits in den Dreißigerjahren war der Schweizer Astronom Fritz Zwicky bei der Vermessung eines Galaxienhaufens auf ein seltsames Phänomen gestoßen: Die Galaxien bewegten sich zu schnell. Die Schwerkraft aller im Haufen vorhandenen Materie würde nicht ausreichen, um die Galaxien bei derart hohen Geschwindigkeiten festzuhalten; der Haufen müsste sich rasch auflösen. Doch dafür gab es keine Anzeichen.

Es müsse also, so folgerte Zwicky, zusätzlich eine große Menge an unsichtbarer Materie in dem Galaxienhaufen geben. »Dunkle Materie« nannte der Forscher diesen hypothetischen Anteil. Zunächst dachten er und seine Fachkollegen an ausgebrannte Sterne oder unsichtbare Gaswolken. Doch im Verlauf jahrzehntelanger Forschung zeigte sich: Es konnte sich dabei nicht um gewöhnliche Materie handeln. Auch in der Milchstraße kommt Dunkle Materie vor, vermuten Forscher heute.

Schon einmal Ernüchterung

Zahlreiche Kandidaten für Dunkle-Materie-Teilchen werden unter den Experten diskutiert, darunter insbesondere die sogenannten WIMPs, schwach wechselwirkende massereiche Teilchen. Solche Teilchen besitzen eine für Physiker interessante Eigenschaft: Wenn zwei von ihnen zusammenstoßen, vernichten sie einander und es wird Strahlung frei. Verschiedene Forschungsprojekte suchen nach dieser hochenergetischen Gammastrahlung.

Schon einmal glaubten Physiker, fündig geworden zu sein. Messdaten des Gammasatelliten Fermi, gestartet im Jahr 2008, wurden als Annihilationsstrahlung von Dunkler Materie interpretiert. Doch der Jubel kam zu früh: Bald erkannten die Wissenschaftler, dass sich diese Strahlung auch mit Neutronensternen erklären lässt. Von ihnen gibt es im galaktischen Zentrum vermutlich viele.

Blick in den Halo

Totani beschränkte seine Suche nach der verräterischen Strahlung auf Regionen des Himmels, in denen es nur wenige Neutronensterne geben sollte. Der Forscher nutzte die seit 15 Jahren gesammelten Daten des Weitwinkelteleskops LAT von Fermi, um die Gammastrahlung aus dem sogenannten Halo der Milchstraße zu untersuchen. Der Halo ist eine Art Hülle, welche die rotierende Scheibe der Galaxie umgibt, befindet sich also abseits ihres Zentrums und abseits ihrer sternenreichen Scheibe.

Totani modelllierte alle bekannten Quellen von hochenergetischer Strahlung, zog diese von der gemessenen Strahlung ab und erhielt einen kleinen, aber signifikanten Überschuss. Dieser Gamma-Überschuss deckt den Energiebereich von 2 bis 200 Giga-Elektronenvolt ab und zeigt ein deutliches Maximum bei 20 Giga-Elektronenvolt. Solch ein Muster wird erwartet für die gegenseitige Vernichtung von WIMPs.

Noch nicht genügend Belege

Die Fachwelt reagiert allerdings zurückhaltend auf die Studie. Der theoretische Astrophysiker Kinwah Wu vom University College London sagte dem »Guardian «, eine außergewöhnliche Behauptung benötige außergewöhnliche Beweise. »Die Analyse hat dieses Niveau bislang nicht erreicht.«

Die Astrophysikerin Silvia Manconi von der Sorbonne-Universität in Paris sagte dem Wissenschaftsportal »New Scientist «, dass man ausgefeiltere Modelle benötige, um wirklich sagen zu können, ob das Signal echt sei. Zudem habe man diese Gammastrahlensignale bislang nicht dort beobachtet, wo man sie aufgrund der vermuteten Dunklen Materie ebenfalls hätte sehen müssen, etwa bei Zwerggalaxien.