Studie untersucht Materieverteilung und unterstützt unbekannten Einfluss oder neue Teilchen

Die dichten Spitzen im Wellenlängenverteilungsdiagramm, die in einem Lyman-Alpha-Wald beobachtet wurden, ähneln tatsächlich vielen kleinen Bäumen. Jede dieser Spitzen stellt einen plötzlichen Abfall des „Lichts“ bei einer bestimmten und engen Wellenlänge dar und bildet effektiv die Materie ab, die das Licht auf seiner Reise zu uns durchquert hat.

Es ist ein bisschen wie beim Schattenspiel, bei dem wir die Figur zwischen Licht und Bildschirm anhand ihrer Silhouette erraten. Der „Schatten“ von Wasserstoffmolekülen, die in großen Entfernungen zwischen uns und dem Licht noch weiter entfernter intensiver Lichtquellen schweben, ist für Astrophysiker gut erkennbar.

Die verwendeten Bilder heißen Spektrogramme. Dabei handelt es sich um die Zerlegung von Strahlung – die wir der Einfachheit halber Licht nennen, die aber auch Frequenzen umfasst, die für unser Auge nicht wahrnehmbar sind – in die Wellenlängenbänder, aus denen sie besteht.

„Es ist wie eine Art sehr feinkörniger Regenbogen“, erklärt Simeon Bird, Physiker an der UC Riverside und einer der Autoren der Studie.

Wir sehen einen Regenbogen, wenn Sonnenlicht durch ein Prisma (oder einen Wassertropfen) fällt und in seine „Bestandteile“ aufgespalten wird. Die vermischten Wellenlängen erscheinen als weißes Licht.

In Spektrogrammen von Licht aus kosmischen Quellen wie Quasaren passiert dasselbe, nur fehlen fast immer einige Frequenzen, die als schwarze Bänder dort sichtbar sind, wo das Licht fehlt, als ob etwas einen Schatten geworfen hätte. Dies sind die Atome und Moleküle, denen das Licht auf seinem Weg begegnet ist.

Da jede Atomart Licht auf eine bestimmte Art und Weise absorbiert und dabei eine Art Signatur im Spektrogramm hinterlässt, lässt sich ihre Präsenz zurückverfolgen, insbesondere die von Wasserstoff, dem im Universum am häufigsten vorkommenden Element.

„Der Wasserstoff ist nützlich, weil er wie ein Indikator für dunkle Materie wirkt“, erklärt Bird. Dunkle Materie ist eine der größten Herausforderungen der aktuellen Erforschung des Universums: Wir wissen noch immer nicht, was sie ist, und wir haben sie noch nie gesehen, aber wir sind sicher, dass sie in großer Menge vorhanden ist – in größerer Menge als normale Materie.

Bird und seine Kollegen nutzten Wasserstoff, um die Materie indirekt zu verfolgen. „Das ist, als würde man Farbstoff in einen Wasserstrahl geben: Der Farbstoff folgt dem Wasser. Dunkle Materie hat Gravitationskraft und besitzt daher ein Gravitationspotential. Das Wasserstoffgas fällt hinein und man nutzt es als Indikator für die dunkle Materie. Wo sie dichter ist, gibt es mehr dunkle Materie. Man kann sich den Wasserstoff als Farbstoff und die dunkle Materie als Wasser vorstellen.“

Die Arbeit von Bird und seinen Kollegen geht über die bloße Beobachtung dunkler Materie hinaus. In aktuellen Studien des Kosmos gibt es einige sogenannte „Spannungen“ oder Diskrepanzen zwischen Beobachtungen und theoretischen Vorhersagen.

Es ist, als ob man eine Dose geschälte Tomaten öffnet und darin Glasmurmeln findet: Basierend auf Ihren Annahmen darüber, wie die Welt funktioniert, würden Sie das eine erwarten, aber überraschenderweise widersprechen die Fakten Ihren Annahmen. Ihr gesunder Menschenverstand entspricht den theoretischen Modellen der Physik: Sie führen Sie zu Vorhersagen über den Inhalt, aber dann schauen Sie in die Dose und sind fassungslos.

Zwei Dinge können passiert sein: Sie haben eine Sehschwäche und es handelt sich tatsächlich um Tomaten oder Ihre Kenntnisse sind falsch (vielleicht sind Sie im Ausland und haben das Etikett auf der Dose falsch gelesen).

Ähnliches passiert bei der Erforschung der Physik des Universums. „Eine der aktuellen Spannungen ist die Anzahl der Galaxien auf kleinen Skalen und bei geringer Rotverschiebung“, erklärt Bird. Das Universum mit geringer Rotverschiebung ist dasjenige, das uns relativ nahe ist.

„Es gibt derzeit zwei Hypothesen, die die Diskrepanz zwischen Beobachtungen und Erwartungen erklären: Entweder existiert ein noch nie zuvor gesehenes Teilchen, über das wir nichts wissen, oder es passiert etwas Seltsames mit supermassiven Schwarzen Löchern im Inneren von Galaxien. Die Schwarzen Löcher hemmen in gewisser Weise das Wachstum von Galaxien und bringen so unsere Strukturberechnungen durcheinander.“

Die Arbeit von Bird und seinen Kollegen hat die Gültigkeit der Spannung bestätigt (es handelt sich also tatsächlich um Murmeln und nicht um Tomaten). Und sie hat noch mehr bewirkt.

„Die Bedeutung dieser Entdeckung ist noch recht gering, also ist sie noch nicht völlig überzeugend. Aber wenn sie sich auch in späteren Datensätzen bestätigt, dann ist es viel wahrscheinlicher, dass es sich um ein neues Teilchen oder eine neue Art physikalischer Phänomene handelt, als dass die schwarzen Löcher unsere Berechnungen durcheinanderbringen“, schlussfolgert Bird.

Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysik.