Astronomen entdecken neuen Zusammenhang zwischen dunkler Materie und der Klumpenbildung des Universums

In einer heute in der veröffentlichten Studie Zeitschrift für Kosmologie und AstroteilchenphysikForscher der Universität Toronto enthüllen einen theoretischen Durchbruch, der sowohl die Natur der unsichtbaren Dunklen Materie als auch die großräumige Struktur des Universums, das sogenannte kosmische Netz, erklären könnte. Das Ergebnis stellt eine neue Verbindung zwischen diesen beiden seit langem bestehenden Problemen der Astronomie her und eröffnet neue Möglichkeiten zum Verständnis des Kosmos.

Die Forschung legt nahe, dass das „Klumpenproblem“, das sich auf die unerwartet gleichmäßige Verteilung von Materie auf großen Skalen im gesamten Kosmos konzentriert, ein Zeichen dafür sein könnte, dass dunkle Materie aus hypothetischen, ultraleichten Teilchen, sogenannten Axionen, besteht. Die Auswirkungen des Nachweises der Existenz schwer nachzuweisender Axionen gehen über das Verständnis der Dunklen Materie hinaus und könnten grundlegende Fragen zur Natur des Universums selbst beantworten.

„Wenn sich dies durch zukünftige Teleskopbeobachtungen und Laborexperimente bestätigen ließe, wäre die Entdeckung der Axion-Dunklen Materie eine der bedeutendsten Entdeckungen dieses Jahrhunderts“, sagt Hauptautor Keir Rogers, Dunlap Fellow am Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics an der Fakultät für Kunst und Kunst. Wissenschaft an der University of Toronto.

„Gleichzeitig legen unsere Ergebnisse eine Erklärung dafür nahe, warum das Universum weniger klumpig ist als wir dachten, eine Beobachtung, die im letzten Jahrzehnt oder so immer klarer geworden ist und derzeit unsere Theorie des Universums im Ungewissen lässt.“

Dunkle Materie, die 85 Prozent der Masse des Universums ausmacht, ist unsichtbar, da sie nicht mit Licht interagiert. Wissenschaftler untersuchen die Auswirkungen der Schwerkraft auf sichtbare Materie, um zu verstehen, wie sie im Universum verteilt ist.

Eine führende Theorie geht davon aus, dass dunkle Materie aus Axionen besteht, die in der Quantenmechanik aufgrund ihres wellenartigen Verhaltens als „unscharf“ beschrieben werden. Im Gegensatz zu diskreten punktförmigen Teilchen können Axionen größere Wellenlängen haben als ganze Galaxien. Diese Unschärfe beeinflusst die Bildung und Verteilung der Dunklen Materie und erklärt möglicherweise, warum das Universum weniger klumpig ist als in einem Universum ohne Axionen vorhergesagt.

Dieser Mangel an Klumpenbildung wurde bei Untersuchungen großer Galaxien beobachtet und stellt die andere vorherrschende Theorie in Frage, dass dunkle Materie nur aus schweren, schwach wechselwirkenden subatomaren Teilchen, sogenannten WIMPs, besteht. Trotz Experimenten wie dem Large Hadron Collider wurden keine Beweise für die Existenz von WIMPs gefunden.

„In der Wissenschaft werden neue Entdeckungen gemacht und uralte Probleme gelöst, wenn Ideen scheitern“, sagt Rogers.

Für die Studie analysierte das Forschungsteam – unter der Leitung von Rogers und darunter Mitglieder der Forschungsgruppe von außerordentlicher Professorin Renée Hložek am Dunlap Institute sowie von der University of Pennsylvania, dem Institute for Advanced Study, der Columbia University und dem King’s College London – Beobachtungen von Reliktlicht des Urknalls, bekannt als kosmischer Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB), gewonnen aus den Durchmusterungen von Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope und South Pole Telescope.

Die Forscher verglichen diese CMB-Daten mit Galaxienhaufendaten des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), der die Positionen von etwa einer Million Galaxien im nahen Universum kartiert. Durch die Untersuchung der Verteilung von Galaxien, die das Verhalten der Dunklen Materie unter Gravitationskräften widerspiegelt, maßen sie Schwankungen in der Menge der Materie im gesamten Universum und bestätigten deren geringere Klumpenbildung im Vergleich zu den Vorhersagen.

Anschließend führten die Forscher Computersimulationen durch, um das Auftreten von Reliktlicht und die Verteilung von Galaxien in einem Universum mit langen Wellen dunkler Materie vorherzusagen. Diese Berechnungen stimmten mit CMB-Daten aus dem Urknall und Galaxienhaufendaten überein und stützen die Annahme, dass unscharfe Axionen für das Klumpenproblem verantwortlich sein könnten.

Zukünftige Forschungen werden groß angelegte Untersuchungen umfassen, um Millionen von Galaxien zu kartieren und präzise Messungen der Klumpenbildung zu liefern, einschließlich Beobachtungen im Laufe des nächsten Jahrzehnts mit dem Rubin-Observatorium.

Die Forscher hoffen, ihre Theorie mit direkten Beobachtungen dunkler Materie durch Gravitationslinsen vergleichen zu können. Dabei handelt es sich um einen Effekt, bei dem die Verklumpung dunkler Materie daran gemessen wird, wie stark sie das Licht entfernter Galaxien beugt, ähnlich einer riesigen Lupe. Um ihre Ergebnisse weiter zu bestätigen, wollen sie außerdem untersuchen, wie Galaxien Gas in den Weltraum ausstoßen und wie sich dies auf die Verteilung der Dunklen Materie auswirkt.

Das Verständnis der Natur der Dunklen Materie ist eine der dringendsten Grundfragen und der Schlüssel zum Verständnis des Ursprungs und der Zukunft des Universums.

Derzeit haben Wissenschaftler keine einzige Theorie, die gleichzeitig Schwerkraft und Quantenmechanik erklärt – eine Theorie für alles. Die in den letzten Jahrzehnten am weitesten verbreitete Theorie aller Dinge ist die Stringtheorie, die eine weitere Ebene unterhalb der Quantenebene postuliert, wo alles aus kettenartigen Energieanregungen besteht. Laut Rogers könnte der Nachweis eines unscharfen Axionteilchens ein Hinweis darauf sein, dass die Stringtheorie von allem korrekt ist.

„Wir verfügen jetzt über die Werkzeuge, die es uns ermöglichen könnten, endlich experimentell etwas über das jahrhundertealte Geheimnis der Dunklen Materie zu verstehen, sogar im nächsten Jahrzehnt oder so – und die uns Hinweise auf Antworten auf noch größere theoretische Fragen geben könnten“, sagt Rogers . „Die Hoffnung ist, dass die rätselhaften Elemente des Universums lösbar sind.“