DUNKLE MATERIE
Problem um Galaxienentstehung gelöst?
Redaktion / Pressemitteilung der Universität Zürich 
astronews.com
14. Januar 2010

Kosmologische Modelle mit sogenannter kalter Dunkler Materie können eine Vielzahl von Beobachtungsbefunden im All erklären. Auf kleinen Skalen allerdings, etwa bei der Betrachtung einzelner Galaxien, bereiten sie den Astronomen einiges Kopfzerbrechen. Eine internationale Forschergruppe glaubt nun, das Problem dank einer aufwendigen Simulation zur Entstehung von scheibenförmigen Zwerggalaxien gelöst zu haben.

Momentaufnahmen aus der Simulation zur Entstehung von Zwerggalaxien, bei denen die Effekte von Supernovae berücksichtigt worden sind. Bild: University of Washington / Katy Brooks [Großansicht]

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 (cold dark matter, CDM) erklärt beispielsweise die Verteilung der Galaxien und der Standardmaterie im Universum. Als kalte Dunkle Materie fassen Astronomen bislang noch nicht entdeckte Elementarteilchen zusammen.

Solange die CDM-Modelle in sehr großen Dimensionen, also in der Größenordnung von Milliarden von Lichtjahren angewendet werden, stehen Modellvorhersage und astronomische Beobachtungen im Einklang. Werden sie dagegen in der Größenordnung von Einzelgalaxien – also in Dimensionen von hundert bis tausend Lichtjahren – eingesetzt, versagen die Modelle und führen zu einem Paradox mit der gemessenen Realität.

Gemäß Modellvorhersage müsste etwa 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. Besonders ausgeprägt ist das Problem bei kleineren Galaxien, den Zwerggalaxien.

Seit bald zwei Jahrzehnten haben sich Astrophysiker, Teilchenphysiker und Astronomen bemüht, diese "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. Eine internationale Forschungsgruppe, darunter auch Professor Lucio Mayer von der Universität Zürich als einer der drei wissenschaftlichen Leiter, glaubt nun, mit einer aufwändigen Simulation das Rätsel gelöst zu haben. Mayer und seine Kollegen simulierten die Entstehung von scheibenförmigen Zwerggalaxien. Anders als ihre Vorgänger konzentrierten sie sich dabei nicht allein auf das durch die Gravitation gesteuerte Verhalten der kalten Dunklen Materie, sondern betrachteten erstmals auch 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 einem Fachartikel in Nature berichten, 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.

Die neuen Erkenntnisse werden Konsequenzen für die Teilchenphysik und einige der Methoden haben, die verwendet werden, um Dunkle Materie-Partikel zu detektieren. So beruht etwa 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.