Nicht nur dunkel, sondern auch verschwommen

News: Nicht nur dunkel, sondern auch verschwommen

Das Weltall ist erfüllt von Materie, die von der Erde aus unsichtbar ist. Die Astronomen tauften sie nicht gerade einfallsreich dunkle Materie. Bei einer neuen möglichen Art waren sie nicht viel kreativer: "verschwommene dunkle Materie". Dabei könnten diese exotischen Teilchen mit einer winzigen Masse erklären, woraus der größte Teil der Masse des Universums besteht, und gleichzeitig das Problem der Zwerggalaxien lösen. Deren Zentren enthalten erheblich weniger Masse als bisherige Modelle vorhersagen.

In einem Punkt sind sich die Astronomen einig: Nur ein geringer Teil der Materie im Universum lässt sich von der Erde aus beobachten, der Rest entzieht sich den Blicken des Menschen. Dieses Material nennen Wissenschaftler schlicht dunkle Materie, wobei allerdings noch offen ist, worum es sich wirklich handelt. Eine Theorie – die der kalten dunklen Materie – hat sich mehr oder weniger etabliert, weil sie viele Strukturen im Weltall, Rotationsgeschwindigkeiten in Galaxien und die allgegenwärtige Mikrowellen-Hintergrundstrahlung erklärt. Doch dieses Modell hat einen Schwachpunkt: Zwerggalaxien müssten im Zentrum erheblich dichter sein als beobachtet.

Wayne Hu und seine Kollegen vom Institute of Advanced Study in Princeton haben jetzt vorgeschlagen, dass die dunkle Materie aus extrem leichten Teilchen mit einer Masse von etwa 10^-57 kg (10^-22 eV) bestehen könnte – rund 10²⁶-mal weniger als Elektronen. Bei dieser Masse hätte das Teilchen eine quantenmechanische de Broglie-Wellenlänge von einigen Tausend Lichtjahren. Nach dem Heisenbergschen Unschärfeprinzip ist diese eine untere Grenze dafür, wie dicht Teilchen sich einander nähern können. Aus demselben Grund ist zum Beispiel das Wasserstoffatom stabil: Weil das Elektron Wellencharakter besitzt, hat das Atom einen Durchmesser, welcher der Wellenlänge des Elektrons entspricht.

"Der Trick dabei ist, alle Vorteile der kalten dunklen Materie beizubehalten" und gleichzeitig das Problem der Zwerggalaxien zu lösen, erklärt Hu. Der Forscher und sein Team schlagen vor, dass die verschwommene dunkle Materie so kalt sein sollte, dass sie der Gravitation einer Galaxie nicht entkommen kann. So winzige und kalte Teilchen würden ein so genanntes Bose-Einstein-Kondensat bilden, in dem sie alle zu einem einzigen, gigantischen Quantenzustand verschmelzen. Wenn dunkle Materie wirklich aus solchen Teilchen besteht, müsste das Kondensat sämtliche Galaxien durchdringen (Physical Review Letters vom 7. August 2000, Abstract).

Computersimulationen, die diese neue Art dunkler Materie enthalten, passen deutlich besser zu den Beobachtungen als bisherige Erklärungsmodelle. Denn die Zentren der Zwerggalaxien sind weniger dicht, während ihre Außenbereiche kaum beeinflusst werden. Die neue Theorie sagt ein spezielles Verhältnis der Kerne der Galaxien zu ihrer Dichte voraus. Doch um dieses genau prüfen zu können, fehlen im Moment noch genauere Beobachtungen.

Paul Steinhardt von der Princeton University erklärt, dass die Schwierigkeiten mit dem bisher etablierten Modell von kalter dunkler Materie erst während der vergangenen zwei Jahre auftauchten, als Beobachtungen und Simulationen von ausreichender Genauigkeit zur Verfügung standen. Als Folge entstanden viele neue Theorien über die mögliche Natur dunkler Materie, wobei "die Menschen sehr kreativ sind", so Steinhardt. Er schätzt, dass es noch einige Jahre dauern wird, bevor alle Ideen gründlich geprüft und mit Beobachtungen verglichen sind. Aber dadurch "werden wir eine Menge über die Natur dunkler Materie lernen."

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 23.6.2000
"Der heilige Gral der Astrophysiker"
Spektrum Ticker vom 5.4.2000
"Krumme Hinweise auf dunkle Materie"
Spektrum Brennpunkt-Thema vom 24.2.1999
"Ein Universum voller WIMPs"
Spektrum der Wissenschaft 2/99, Seite 64
"Die Entwicklung von Galaxienhaufen"
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