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GALAXIENHAUFEN
Hinweis auf Dunkle Materie im Röntgenlicht?
von Stefan Deiters
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26. Juni 2014

Bei Röntgenbeobachtungen von zahlreichen Galaxienhaufen mit den Weltraumteleskopen XMM-Newton und Chandra sind Astronomen auf ein bislang unbekanntes Signal gestoßen. Es könnte, so spekulieren sie, durch den Zerfall einer speziellen Sorte von Neutrinos entstehen, die bislang noch nicht nachgewiesen wurde, jedoch als Kandidat für Dunkle Materie gilt.

Perseus-Galaxienhaufen

Mysteriöses Signal im Röntgenspektrum des Perseus-Galaxienhaufens: Ein Hinweis auf sterile Neutrinos? Bild: NASA / CXC / SAO / E. Bulbul, et al. [Großansicht]

Dunkle Materie zählt mit zu den größten Rätseln der aktuellen astrophysikalischen Forschung: Es muss sich dabei nämlich um einen Stoff handeln, der einen beträchtlichen Teil der Gesamtmasse des Universums ausmacht, jedoch weder Licht aussendet noch verschluckt. Die Dunkle Materie lässt sich ausschließlich durch die gravitative Wirkung ihrer Masse erkennen.

Obwohl man nicht weiß, um was es sich bei Dunkler Materie handelt, glauben die meisten Astronomen fest an ihre Existenz. Der Grund dafür ist einfach: Man hat zahlreiche indirekte Hinweise dafür gefunden, dass es in den verschiedensten kosmischen Objekten deutlich mehr Masse geben muss, als man sehen kann. Nur mit dieser zusätzlichen Masse lassen sich nämlich die beobachtete Dynamik dieser Objekte oder andere Eigenschaften erklären.

Dunkle Materie gibt es auch in Galaxienhaufen: Diese bestehen aus Hunderten oder Tausenden von Galaxien und sind die größten gravitativ gebundenen Systeme im Universum. Zwischen den Galaxien eines Haufens befinden sich zudem große Mengen an heißem Gas. Dieses Gas und die Galaxien machen jedoch lediglich rund ein Fünftel der Gesamtmasse eines solchen Haufens aus - beim Rest muss es sich um Dunkle Materie handeln.

Das heiße Gas in Galaxienhaufen ist hauptsächlich Wasserstoff mit Temperaturen von über zehn Millionen Grad Celsius. Dies ist so heiß, dass dieses Gas Röntgenstrahlen aussendet. In einem entsprechenden Röntgenspektrum finden sich dann nicht nur die Linien von Wasserstoff, sondern - bei charakteristischen Wellenlängen - auch die Linien von weiteren Elementen, die sich in dem Gas zwischen den Galaxien befinden.

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Mit den Röntgen-Weltraumteleskopen XMM-Newton und Chandra von ESA und NASA haben Astronomen nun insgesamt 73 Galaxienhaufen spektral untersucht und die Linien analysiert, die in ihren Spektren zu erkennen waren. Dabei stießen sie auf eine schwache Linie bei einer Wellenlänge, bei der sie zuvor noch nie eine Linie gesehen hatten.

"Wenn dieses merkwürdige Signal durch irgendein bekanntes Element im Gas entstanden wäre, hätte es auch bei anderen Wellenlängen im Röntgenbereich für Signale sorgen müssen, doch haben wir keines dieser Signale entdeckt", erläutert Dr. Esra Bulbul vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics im US-amerikanischen Cambridge. "Deswegen mussten wir uns nach einer Erklärung jenseits der bekannten normalen Materie umschauen."

Den Vorschlag, den die Wissenschaftler jetzt präsentieren, könnte die Suche nach der Natur der Dunklen Materie einen wichtigen Schritt voranbringen: Eine Erklärung für das Signal wäre nämlich, so die Forscher, dass es durch den Zerfall eines exotischen subatomaren Partikels entsteht, das in der Fachwelt als "steriles Neutrino" bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um ein Teilchen, dessen Existenz zwar vermutet, bislang aber nicht nachgewiesen ist.

Normale Neutrinos weisen eine extrem niedrige Masse auf und treten mit ihrer Umwelt nur durch die schwache Wechselwirkung und ihre Gravitationswirkung in Kontakt. Von sterilen Neutrinos wird angenommen, dass sie sich ausschließlich durch ihre Gravitationswirkung verraten. Sie wären damit ein Kandidat für die Dunkle Materie. "Wenn unsere Interpretation stimmt, könnte zumindest ein Teil der Dunklen Materie in Galaxienhaufen aus sterilen Neutrinos bestehen", so Bulbul.

Noch sind die Forscher jedoch mit vorschnellen Schlussfolgerungen vorsichtig. Es sollen zunächst noch Beobachtungen mit Chandra, XMM-Newton und anderen Teleskopen von weiteren Galaxienhaufen gemacht werden, um tatsächlich eine sichere Verbindung zwischen dem mysteriösen Signal und der Dunklen Materie herstellen zu können.

"Es wäre schon sehr aufregend, wenn sich bestätigen würde, dass es mithilfe von XMM-Newton gelungen ist, den ersten direkten Hinweis auf Dunkle Materie zu finden", so Norbert Schartel, der XMM-Newton-Projektwissenschaftler bei der ESA. "Noch ist es nicht soweit, doch werden wir zweifellos auf dem Weg dorthin jede Menge über die Zusammensetzung unseres bizarren Universums lernen."

Über ihre Beobachtungen berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der am 1. Juli 2014 in der Zeitschrift The Astrophysical Journal erscheint.

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siehe auch
Galaxienhaufen: Filament aus Dunkler Materie in 3D - 16. Oktober 2012
Dunkle Materie: Kosmisches Netz aus Dunkler Materie - 9. Januar 2012
Chandra, Hubble & Keck: Galaxienhaufen in Mega-Kollision - 17. April 2009
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
XMM-Newton, Seite der ESA
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