Der größte Teil der Materie im Universum, nämlich erstaunliche 85 Massenprozent, kann nicht beobachtet werden und besteht aus Teilchen, die nicht vom Standardmodell der Teilchenphysik erfasst werden (siehe Anmerkung 1). Diese Teilchen sind als Dunkle Materie bekannt, und ihre Existenz kann aus ihrer Gravitationswirkung auf das Licht entfernter Galaxien geschlossen werden. Das Auffinden des Teilchens, aus dem Dunkle Materie besteht, ist ein dringendes Problem in der modernen Physik, da es die Masse und damit die Schwerkraft von Galaxien dominiert – die Lösung dieses Rätsels kann zu einer neuen Physik jenseits des Standardmodells führen.
Während einige theoretische Modelle die Existenz ultramassiver Teilchen als möglichen Kandidaten für Dunkle Materie vorschlagen, schlagen andere ultraleichte Teilchen vor. Ein Team von Astrophysikern unter der Leitung von Alfred AMRUTH, einem Doktoranden im Team von Dr. Jeremy LIM vom Institut für Physik der Universität Hongkong (HKU), in Zusammenarbeit mit Professor George SMOOT, einem Nobelpreisträger für Physik der Universität Hongkong of Science and Technology (HKUST) und Dr. Razieh EMAMI, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Astrophysik | Harvard & Smithsonian (CFA) hat den bisher direktesten Beweis dafür geliefert, dass Dunkle Materie keine ultramassiven Teilchen darstellt, wie allgemein angenommen wird, sondern Teilchen enthält, die so leicht sind, dass sie sich wie Wellen durch den Weltraum bewegen. Ihre Arbeit löst ein herausragendes Problem in der Astrophysik, das erstmals vor zwei Jahrzehnten aufgeworfen wurde: Warum können Modelle, die ultramassive Teilchen der Dunklen Materie verwenden, die beobachteten Positionen und die Helligkeit mehrerer Bilder derselben Galaxie, die durch Gravitationslinsen erzeugt wurden, nicht korrekt vorhersagen? Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Naturastronomie.
Dunkle Materie emittiert, absorbiert oder reflektiert kein Licht, was die Beobachtung mit traditionellen astronomischen Techniken erschwert. Heutzutage ist das leistungsfähigste Werkzeug, das Wissenschaftler zur Untersuchung der Dunklen Materie haben, der Gravitationslinseneffekt, ein Phänomen, das von Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. In dieser Theorie bewirkt Masse, dass sich die Raumzeit krümmt, wodurch der Anschein entsteht, dass sich Licht um massive Objekte wie Sterne, Galaxien oder Gruppen von Galaxien krümmt. Durch die Beobachtung dieser Lichtbeugung können Wissenschaftler auf das Vorhandensein und die Verteilung von Dunkler Materie schließen – und, wie in dieser Studie gezeigt, auf die Natur der Dunklen Materie selbst.
Wenn das Vordergrundlinsenobjekt und das Hintergrundlinsenobjekt – beide stellen in der Abbildung einzelne Galaxien dar – eng aufeinander ausgerichtet sind, können mehrere Bilder desselben Hintergrundobjekts am Himmel gesehen werden. Die Positionen und die Helligkeit der mehrfach gelinsten Bilder hängen von der Verteilung der Dunklen Materie im Vordergrundlinsenobjekt ab, wodurch eine besonders leistungsstarke Sonde für Dunkle Materie bereitgestellt wird.
Eine weitere Annahme über die Natur der Dunklen Materie
In den 1970er Jahren, nachdem die Existenz von Dunkler Materie fest etabliert war, wurden hypothetische Teilchen, die als Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) bezeichnet werden, als Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen. Es wurde angenommen, dass diese WIMPs ultramassiv sind – mehr als mindestens zehnmal so massiv wie ein Proton – und mit anderer Materie nur durch die schwache Kernkraft interagieren. Diese Teilchen gehen aus Supersymmetrie-Theorien hervor, die entwickelt wurden, um Mängel im Standardmodell auszugleichen, und wurden seitdem weithin als wahrscheinlichster Kandidat für Dunkle Materie befürwortet. In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich Astrophysiker jedoch bemüht, die Positionen und Helligkeit von Bildern mit mehreren Linsen korrekt zu reproduzieren, indem sie ultramassive Teilchen für Dunkle Materie einsetzten. In diesen Studien wird angenommen, dass die Dichte der Dunklen Materie in Übereinstimmung mit theoretischen Simulationen, die ultramassive Teilchen verwenden, von den Zentren der Galaxien nach außen hin gleichmäßig abnimmt.
Beginnend ebenfalls in den 1970er Jahren, aber in dramatischem Gegensatz zu WIMPs, Versionen von Theorien, die darauf abzielen, Mängel im Standardmodell zu beheben, oder solche (z Modell zusammen mit der Schwerkraft) befürworten die Existenz ultraleichter Teilchen. Diese hypothetischen Teilchen, die als Axionen bezeichnet werden, sollen weitaus weniger massiv sein als selbst die leichtesten Teilchen im Standardmodell und einen alternativen Kandidaten für Dunkle Materie darstellen.
Nach der Theorie der Quantenmechanik bewegen sich ultraleichte Teilchen als Wellen durch den Weltraum und interferieren in so großer Zahl miteinander, dass zufällige Dichteschwankungen entstehen. Diese zufälligen Dichteschwankungen in der Dunklen Materie führen zu Falten in der Raumzeit. Wie zu erwarten war, sollten die unterschiedlichen Muster der Raumzeit um Galaxien, je nachdem, ob Dunkle Materie ultramassive oder ultraleichte Teilchen darstellt – glatt oder zerknittert – zu unterschiedlichen Positionen und Helligkeiten für mehrfach verglaste Bilder von Hintergrundgalaxien führen.
In einer Arbeit unter der Leitung von Alfred AMRUTH, einem Doktoranden im Team von Dr. Jeremy LIM an der HKU, haben Astrophysiker erstmals berechnet, wie sich Bilder mit Gravitationslinsen, die von Galaxien mit ultraleichten Teilchen der Dunklen Materie erzeugt werden, von denen unterscheiden, die ultramassive Teilchen der Dunklen Materie enthalten.
Ihre Forschung hat gezeigt, dass das allgemeine Maß an Unstimmigkeiten zwischen den beobachteten und vorhergesagten Positionen sowie der Helligkeit von Bildern mit mehreren Linsen, die von Modellen mit ultramassiver Dunkler Materie erzeugt werden, durch die Übernahme von Modellen mit ultraleichten Teilchen der Dunklen Materie aufgelöst werden kann. Darüber hinaus zeigen sie, dass Modelle, die ultraleichte Teilchen der Dunklen Materie enthalten, die beobachteten Positionen und Helligkeiten von Galaxienbildern mit mehreren Linsen reproduzieren können, eine wichtige Errungenschaft, die die eher zerknitterte als glatte Natur der Raumzeit um Galaxien offenbart.
„Die Möglichkeit, dass Dunkle Materie keine ultramassiven Teilchen enthält, wie dies seit langem von der wissenschaftlichen Gemeinschaft befürwortet wird, mindert andere Probleme sowohl bei Laborexperimenten als auch bei astronomischen Beobachtungen“, erklärt Dr. Lim. „Laborexperimente waren beim Auffinden von WIMPs, dem seit langem favorisierten Kandidaten für Dunkle Materie, äußerst erfolglos. Solche Experimente befinden sich in der Endphase und gipfeln im geplanten DARWIN-Experiment, das WIMPs keinen Ort lässt, an dem sie sich verstecken können, wenn sie nicht gefunden werden (siehe Anmerkung 2).‘
Professor Tom BROADHURST, Ikerbasque-Professor an der Universität des Baskenlandes, Gastprofessor an der HKU und Co-Autor der Veröffentlichung fügt hinzu: „Wenn Dunkle Materie ultramassive Teilchen umfasst, dann sollten es laut kosmologischen Simulationen Hunderte davon sein Satellitengalaxien rund um die Milchstraße. Doch trotz intensiver Suche wurden bisher nur rund fünfzig entdeckt. Wenn andererseits Dunkle Materie stattdessen ultraleichte Teilchen enthält, dann sagt die Theorie der Quantenmechanik voraus, dass sich Galaxien unterhalb einer bestimmten Masse aufgrund der Welleninterferenz dieser Teilchen einfach nicht bilden können, was erklärt, warum wir einen Mangel an kleinen Satellitengalaxien um die herum beobachten Milchstraße.‘
„Durch die Einbeziehung ultraleichter statt ultramassiver Teilchen für Dunkle Materie werden gleichzeitig mehrere seit langem bestehende Probleme sowohl in der Teilchenphysik als auch in der Astrophysik gelöst“, sagte Amruth Alfred. „Wir haben einen Punkt erreicht, an dem das bestehende Paradigma der Dunklen Materie überdacht werden muss. Der Abschied von ultramassiven Teilchen, die seit langem als bevorzugter Kandidat für Dunkle Materie angekündigt wurden, fällt vielleicht nicht leicht, aber es gibt immer mehr Beweise dafür, dass Dunkle Materie wellenartige Eigenschaften hat, wie sie ultraleichte Teilchen besitzen.“ Die Pionierarbeit nutzte die Supercomputing-Einrichtungen der HKU, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.
Der Co-Autor Professor George SMOOT fügte hinzu: „Das Verständnis der Natur der Teilchen, aus denen Dunkle Materie besteht, ist der erste Schritt in Richtung Neue Physik. Diese Arbeit ebnet den Weg für zukünftige Tests von wellenartiger Dunkler Materie in Situationen mit Gravitationslinsen. Das James-Webb-Weltraumteleskop sollte viele weitere Systeme mit Gravitationslinsen entdecken, was es uns ermöglicht, noch genauere Tests der Natur der Dunklen Materie durchzuführen.‘
Bemerkungen: 1. Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die Theorie, die drei der vier bekannten fundamentalen Kräfte (elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkungen — ohne Gravitation) im Universum beschreibt und alle bekannten Elementarteilchen klassifiziert. Obwohl das Standardmodell große Erfolge erzielt hat, lässt es einige Phänomene ungeklärt – zB die Existenz von Partikeln, die mit bekannten Partikeln im Standardmodell nur durch Schwerkraft interagieren – und ist keine vollständige Theorie grundlegender Wechselwirkungen.