Hinweise auf Dunkle Materie?

  • 17. December 2014

Exotische Röntgenlinie von Galaxien deutet auf sterile Neutrinos hin.

Dunkle Materie, die im Wesentlichen nur durch Gravitation wechselwirkt, hat im Universum eine fünfmal so große Dichte wie normale baryonische Materie. Obwohl sie allgegenwärtig ist, konnte man die ihr zugrunde liegenden Teilchen bisher nicht beobachten. Doch jetzt gibt es Hinweise aus der Röntgenastronomie, dass hinter der dunklen Materie sterile Neutrinos stecken.

Abb.: Die Andromeda-Galaxie M31 gibt Röntgenstrahlung bei 3,52 keV ab. Dafür könnte Dunkle Materie verantwortlich sein. (Bild: ESA / Herschel, XMM-Newton)

Abb.: Die Andromeda-Galaxie M31 gibt Röntgenstrahlung bei 3,52 keV ab. Dafür könnte Dunkle Materie verantwortlich sein. (Bild: ESA / Herschel, XMM-Newton)

Für die Existenz der Dunklen Materie sprechen viele Indizien. Die Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung deuten auf Schallschwingungen im frühen Universum hin, aus deren Leistungsspektrum man abliest, dass dort viel mehr oszillierte als nur baryonische Materie. Für die überraschend schnelle Strukturbildung im Universum reichte die Gravitationswirkung der normalen Materie nicht aus. Und auch die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien und die Stärke von Gravitationslinsen in Galaxienhaufen lassen sich mit der vorhandenen Menge an normaler Materie nicht erklären.

Die Dunkle Materie müsste aus noch unbekannten Partikeln bestehen, die nicht an der elektromagnetischen Wechselwirkung teilhaben. Neben den hypothetischen Axionen, die in der Quantenchromodynamik von Nutzen wären, und den Weakly Interacting Massive Particles oder WIMPs, die der schwachen Wechselwirkung unterliegen, könnten dies die ebenfalls hypothetischen „sterilen“ Neutrinos sein.

Sterile Neutrinos würden im Gegensatz zu normalen Neutrinos nicht an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen. Sie könnten sich jedoch durch Neutrinooszillation in normale Neutrinos umwandeln. So würde z. B. aus einem sterilen Neutrino ein Myon-Neutrino entstehen, das über die schwache Wechselwirkung ein Photon emittiert, dessen Energie halb so groß sein müsste wie die des ursprünglichen Neutrinos. Da diese im Bereich von Kiloelektronenvolt liegen sollte, müsste es sich um ein Röntgenquant handeln.

Abb.: Das Röntgenspektrum der Andromeda-Galaxie zeigt bei 3,52 keV eine Linie, die von sterilen Neutrinos herrühren könnte. (Bild: A. Boyarsky et al.)

Abb.: Das Röntgenspektrum der Andromeda-Galaxie zeigt bei 3,52 keV eine Linie, die von sterilen Neutrinos herrühren könnte. (Bild: A. Boyarsky et al.)

Zwei Forschergruppen haben unabhängig voneinander solch verräterische Röntgenstrahlung beobachtet, die von Galaxien und Galaxienhaufen kam, in denen die Dunkle Materie eine besonders hohe Dichte haben sollte. Esra Bulbul von der Harvard-Universität und ihre Mitarbeiter hatten vor einem halben Jahr berichtet, dass die mit den Röntgensatelliten XMM-Newton und Chandra aufgenommene Röntgenstrahlung von zahlreichen Galaxienhaufen bei etwa 3,55 keV eine bisher unbekannte Emissionslinie zeigte, deren statistische Signifikanz über 3 Sigma lag. Nun haben Forscher um Alexey Boyarsky von der Universität Leiden diese Beobachtung bestätigt und vertieft.

Boyarsky und seine Kollegen haben die Röntgenspektren ausgewertet, die XMM-Newton von verschiedenen Punkten in der Andromeda-Galaxie M31 und dem Galaxienhaufen im Sternbild Perseus aufgenommen hatte. Nachdem die Forscher die Rotverschiebung der Spektren aufgrund der unterschiedlichen Fluchtgeschwindigkeiten der Galaxien berücksichtigt hatten, fanden sie stets eine schwache Linie bei 3.52 ± 0.02 keV, die mit keiner bisher bekannten Linie übereinstimmte. Die neue Linie hatte eine statistische Signifikanz von 4,4 Sigma. Kontrollaufnahmen von einer „leeren“ Stelle des Himmels wiesen diese Linie nicht auf.

Wenn die Röntgenstrahlung bei 3,52 keV tatsächlich von der Dunklen Materie herrührt, so muss die Intensität der Strahlung von der lokalen Materiedichte abhängen. Da die Dichte der Dunklen Materie sowohl bei M31 als auch beim Perseus-Haufen vom Zentrum zum Rand hin abnimmt, muss auch die Strahlungsintensität diese Abnahme zeigen. Das ist tatsächlich der Fall, wie die Forscher nachgewiesen haben. Aus ihren Beobachtungen schließen sie: Wenn die Dunkle Materie tatsächlich aus sterilen Neutrinos besteht, so beträgt deren Masse 7.06 ± 0.06 keV. Für den Mischungswinkel θ, der ein Maß für die Stärke der Neutrinooszillation ist, erhalten sie einen Wert von der Größenordnung 10-5.

Ob die beobachtete Röntgenlinie tatsächlich von sterilen Neutrinos herrührt, und wenn ja, ob die Dunkle Materie neben diesen Neutrinos auch noch andere Teilchen enthält, müssen weitere und genauere Beobachtungen klären. So wird der japanische Röntgensatellit Astro-H, dessen Start für 2015 geplant ist, eine deutlich höhere Energieauflösung haben als XMM-Newton und Chandra. Dadurch kann man anhand der Breite einer beobachteten Röntgenline erkennen, ob sie von Elektronenübergängen oder von der Dunklen Materie stammt. Insbesondere soll Astro-H im Halo der Milchstraße nach der von sterilen Neutrinos herrührenden Röntgenlinie suchen.

Rainer Scharf

DE

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