Studie legt nahe, dass dunkle Materie vielleicht doch Kollisionseigenschaften hat

Entgegen den Annahmen des Standardmodells könnte die Dunkle Materie tatsächlich mit sich selbst wechselwirken. Zu diesem Schluss kam eine Studie veröffentlicht In Astronomie & Astrophysik und wurde von Riccardo Valdarnini von der SISSA-Gruppe für Astrophysik und Kosmologie geleitet. Mithilfe numerischer Simulationen analysierte die Studie, was im Inneren von „El Gordo“ (wörtlich „Der Dicke“ auf Spanisch) passiert, einer riesigen Clusterfusion, die sieben Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist.

Die Berechnungen zeigten, dass die in diesem Cluster beobachtete physikalische Trennung zwischen den Punkten maximaler Dichte der Dunklen Materie und denen der anderen Massenkomponenten mit dem sogenannten SIDM-Modell (Self-Interacting Dark Matter) erklärt werden kann, im Gegensatz zum Standardmodell. Diese Forschung leistet einen wichtigen Beitrag zugunsten des SIDM-Modells, wonach Dunkle-Materie-Partikel durch Kollisionen Energie austauschen, was interessante astrophysikalische Auswirkungen hat.

„El Gordo“: Eine gigantische kosmische Struktur zur Erforschung der dunklen Materie

„Nach dem derzeit akzeptierten Standardmodell der Kosmologie kann die gegenwärtige baryonische Materiedichte des Universums nur 10 % seines gesamten Materiegehalts ausmachen. Die restlichen 90 % liegen in Form von Dunkler Materie vor“, erklärt Valdarnini, Autor der Forschungsarbeit.

„Man geht allgemein davon aus, dass diese Materie nicht baryonisch ist und aus kalten, kollisionsfreien Teilchen besteht, die nur auf die Schwerkraft reagieren. Daher kommt auch der Name ‚Kalte Dunkle Materie‘ (CDM). Es gibt jedoch noch immer eine Reihe von Beobachtungen, die mit dem Standardmodell noch nicht erklärt werden konnten“, sagt der Forscher. „Um diese Fragen zu beantworten, schlagen mehrere Autoren ein alternatives Modell vor, das SIDM genannt wird.“

Der Beweis der Kollisionseigenschaften von Dunkler Materie und allgemeiner alternativer Theorien zum Standardmodell der Kosmologie ist sehr kompliziert. Er erklärt: „Es gibt jedoch einzigartige Laboratorien, die sich für diesen Zweck als sehr nützlich erweisen können, viele Lichtjahre von uns entfernt. Dabei handelt es sich um die massiven Galaxienhaufen, gigantische kosmische Strukturen, die bei Kollisionen die energiereichsten Ereignisse seit dem Urknall bestimmen.“

„Mit einer Masse von etwa 1015 Sonnenmassen ist El Gordo einer der größten Galaxienhaufen, die wir kennen. Aufgrund seiner Besonderheiten war El Gordo Gegenstand zahlreicher Studien, sowohl theoretischer als auch beobachtender Art.“

Dunkle Materie könnte kollisionsartig entstehen

Gemäß dem Standardparadigma wird sich das Verhalten der kollidierenden Gasmassekomponente während einer Clusterverschmelzung von dem der beiden anderen Komponenten – Galaxien und Dunkle Materie – unterscheiden. In diesem Szenario wird das Gas einen Teil seiner ursprünglichen Energie abgeben.

„Deshalb wird nach der Kollision die maximale Gasmassendichte hinter denen der Dunklen Materie und der Galaxien zurückbleiben“, erklärt Valdarnini. Beim SIDM-Modell sollte jedoch ein eigenartiges Phänomen beobachtet werden, nämlich die physikalische Trennung der Schwerpunkte der Dunklen Materie – ihrer maximalen Dichtepunkte – von denen anderer Massenkomponenten mit Besonderheiten, die eine echte „Signatur der SIDM-Modelle“ darstellen. Beobachtungen zufolge ist dies genau das, was im Inneren von „El Gordo“ passiert.

Beobachtung von El Gordo

„Beginnen wir mit Beobachtungen“, erklärt Valdarnini. El Gordo besteht aus zwei massereichen Unterhaufen, die als nordwestlich (NW) und südöstlich (SE) bezeichnet werden. Das Röntgenbild des „El Gordo“-Haufens zeigt einen einzelnen Röntgenemissionspeak im SE-Unterhaufen und zwei schwache Schweife, die über den Röntgenpeak hinausreichen. Bemerkenswert ist die Lage der Peaks der verschiedenen Massenkomponenten.

Anders als im Bullet Cluster, einem weiteren wichtigen Beispiel eines kollidierenden Clusters, liegt der Röntgen-Peak vor dem SE-Peak der Dunklen Materie. Darüber hinaus hinkt die Brightest Cluster Galaxy (BCG) nicht nur dem Röntgen-Peak hinterher, sondern scheint auch räumlich vom SE-Massenschwerpunkt versetzt zu sein. Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt ist im NW-Cluster zu sehen, wo der Peak der Galaxienzahldichte räumlich vom entsprechenden Massen-Peak versetzt ist.

Forschungsergebnisse legen nahe, dass kollisionsbedingte Dunkle Materie die in „El Gordo“ beobachteten Phänomene erklären kann

Um seine Ergebnisse zu erklären und die SIDM-Modelle zu validieren, verwendete Valdarnini eine große Anzahl sogenannter N-Körper-/Hydrodynamischer Simulationen. So führte er eine systematische Studie durch, die darauf abzielte, die Beobachtungsmerkmale von „El Gordo“ zu reproduzieren.

„Das wichtigste Ergebnis dieser Simulationsstudie besteht darin, dass sich die beobachteten relativen Abstände zwischen den verschiedenen Massenschwerpunkten des ‚El Gordo‘-Haufens auf natürliche Weise dadurch erklären lassen, dass die Dunkle Materie mit sich selbst wechselwirkt“, erklärt Valdarnini.

„Aus diesem Grund liefern diese Ergebnisse eine eindeutige Signatur eines Dunkle-Materie-Verhaltens, das bei einer sehr energiereichen Cluster-Kollision bei hoher Rotverschiebung kollisionsartige Eigenschaften aufweist. Es gibt jedoch Unstimmigkeiten, da die aus diesen Simulationen erhaltenen SIDM-Querschnittswerte höher sind als die derzeitigen Obergrenzen, die auf Cluster-Skalen in der Größenordnung von eins liegen.

„Dies deutet darauf hin, dass die gegenwärtigen SIDM-Modelle nur als Näherung niedriger Ordnung betrachtet werden sollten und dass die zugrunde liegenden physikalischen Prozesse, die die Wechselwirkung der Dunklen Materie bei großen Clusterverschmelzungen beschreiben, komplexer sind, als sie durch den allgemein angenommenen Ansatz auf Grundlage der Streuung von Dunkle-Materie-Partikeln angemessen dargestellt werden können.

„Die Studie liefert überzeugende Argumente für die Möglichkeit selbstwechselwirkender Dunkler Materie zwischen kollidierenden Clustern als Alternative zum Standardparadigma der kollisionsfreien Dunklen Materie.“