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DUNKLE MATERIE
Lösen Photonen das Dunkelmaterie-Rätsel?
Redaktion / idw / Pressemitteilung der Universität Mainz
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7. Februar 2019

Die Bewegung der Sterne in Galaxien lässt sich nicht erklären, wenn man lediglich die sichtbare Materie berücksichtigt. Das führte zur Annahme, dass es zusätzlich eine unsichtbare Materiekomponente geben muss, die sogenannte Dunkle Materie. Bislang weiß man allerdings nicht, um was es sich dabei handelt. Ein Forschertrio hat jetzt einmal eine ganz andere Idee durchgespielt: Könnten Photonen das Rätsel lösen?

Milchstraße

Künstlerische Darstellung unserer Milchstraße: Die Bewegung der Sterne lässt sich bislang nur durch die Annahme einer zusätzlichen Massenkomponente erklären - der Dunklen Materie. Bild: NASA / JPL-Caltech [Großansicht]

Die Rotation von Sternen in Galaxien wie beispielsweise unserer Milchstraße ist rätselhaft. Denn eigentlich sollte die Umlaufgeschwindigkeit zum Rand der Galaxie hin abnehmen. Tatsächlich aber bleibt die Geschwindigkeit der Sterne in den mittleren und äußeren Bereichen der Galaxien konstant. Der Grund für dieses Phänomen könnte unsichtbare Materie sein, die eine Schwerkraft ausübt. Aber obwohl verschiedene Forschungseinrichtungen seit Jahrzehnten danach suchen, wurde die sogenannte Dunkle Materie bisher nicht gefunden und es ist nicht bekannt, aus was sie besteht.

Vor diesem Hintergrund sind die Physiker Dmitri Ryutov, Dmitry Budker und Victor Flambaum Überlegungen nachgegangen, ob vielleicht andere Einflüsse die Rotationsdynamik von Galaxien erklären könnten. Sie untersuchten dazu, welche hypothetische Wirkung die Masse von Photonen, also Lichtteilchen, ausüben würde.

Prof. Dr. Dmitri Ryutov, vor Kurzem am Lawrence Livermore National Laboratory in den Ruhestand getreten, ist Experte für Plasmaphysik und hat für seine Verdienste auf diesem Gebiet 2017 den Maxwell-Preis für Plasmaphysik der American Physical Society erhalten. Auf Ryutov geht die in der Fachwelt allgemein akzeptierte obere Grenze für die Masse des Photons zurück. Weil diese Masse extrem klein ist, wird sie bei der Betrachtung von Atom- und Kernprozessen normalerweise ignoriert. Aber selbst eine verschwindend kleine Photonmasse könnte, so die Überlegungen, eine Wirkung auf große, astrophysikalische Phänomene ausüben.

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Bei einem Aufenthalt in Mainz haben Ryutov, sein Gastgeber Prof. Dr. Dmitry Budker vom Helmholtz-Institut Mainz (HIM) und Prof. Dr. Victor Flambaum, Fellow am Gutenberg Forschungskolleg der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), diesen Ansatz verfolgt: Wie kann die extrem geringe Photonmasse Einfluss auf Galaxien nehmen? Der grundlegende Mechanismus für die Überlegungen bezieht sich auf die zusätzlichen Zentripetalkräfte, die durch elektromagnetische Feldstärken infolge des sogenannten Proca-Mechanismus zustande kommen.

"Der Effekt, den wir hier theoretisch untersuchen, ist also nicht ein Effekt aufgrund zusätzlicher Schwerkraft", erklärt Budker. Der hier diskutierte Effekt könnte, so der Forscher, parallel zu den Wirkungen der Dunklen Materie auftreten. Er könnte sogar – bei gewissen Annahmen – die Notwendigkeit von Dunkler Materie für die Beschreibung von Rotationskurven vollständig überflüssig machen.

Die Rotationskurven geben die Beziehung zwischen der Umlaufgeschwindigkeit der Sterne zu ihrer Entfernung vom Zentrum der Galaxie wieder. "Wir gehen von einer bestimmten Photonmasse aus und können zeigen, dass diese Masse ausreichen würde, um in einer Galaxie zusätzliche Kräfte zu erzeugen, die in etwa groß genug sind, um die Rotationskurven zu erklären", unterstreicht Budker. "Das war für uns ein außerordentlich spannendes Ergebnis."

Die Physiker gingen aber noch weiter. Sie haben sich die Bildung von Protosternen angeschaut und bemerkt, dass ihre Theorie noch andere Implikationen hat. Langlebige, leichte Sterne mit einer Masse von wenigen Sonnenmassen – also auch unsere Sonne – hätten nach dieser Theorie hoch elliptische Umlaufbahnen. "Diese Vorhersage stimmt offensichtlich nicht mit den Beobachtungen überein, das heißt wir können nicht alles erklären."

Der Effekt der Proca-Kräfte kann also, so die Forscher, nur für einen Teil der Besonderheiten, die bei den Rotationskurven zu sehen sind, verantwortlich gemacht werden. "Wir sehen die Photonmasse derzeit nicht als die Lösung für das Rotationskurven-Problem. Aber sie könnte ein Teil der Lösung sein", fasst Budker zusammen. "Wir möchten eine offene Geisteshaltung bewahren, solange wir noch nicht wissen, was die Dunkle Materie wirklich ist."

Über ihre Untersuchung berichtet das Trio jetzt in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift The Astrophysical Journal erschienen ist.

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siehe auch
Pulsare: Eine fünfte Kraft durch Dunkle Materie? - 11. Juni 2018
Teilchenphysik: Dunkle Photonen und die Dunkle Materie - 5. Mai 2014
Links im WWW
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
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