Ein neuer Blick auf die „Einstein-Ringe“ um ferne Galaxien hat uns der Lösung der Debatte über dunkle Materie gerade näher gebracht

Physiker glauben, dass der größte Teil der Materie im Universum aus einer unsichtbaren Substanz besteht, von der wir nur durch ihre indirekten Auswirkungen auf die Sterne und Galaxien wissen, die wir sehen können.

Wir sind nicht verrückt! Ohne diese “dunkle Materie” würde das Universum, wie wir es sehen, keinen Sinn machen.

Aber die Natur der Dunklen Materie ist ein langjähriges Rätsel. Eine neue Studie von Alfred Amruth von der University of Hong Kong und Kollegen, veröffentlicht in Naturastronomienutzt die gravitative Krümmung des Lichts, um uns dem Verständnis einen Schritt näher zu bringen.

Unsichtbar, aber allgegenwärtig

Der Grund, warum wir glauben, dass dunkle Materie existiert, ist, dass wir die Auswirkungen ihrer Schwerkraft im Verhalten von Galaxien sehen können. Genauer gesagt, dunkle Materie scheint etwa 85 % der Masse des Universums auszumachen, und die meisten fernen Galaxien, die wir sehen können, scheinen von einem Heiligenschein aus der mysteriösen Substanz umgeben zu sein.

Aber es wird dunkle Materie genannt, weil es kein Licht abgibt, absorbiert oder reflektiert, was es unglaublich schwierig macht, es zu entdecken.

Was ist das für ein Zeug? Wir denken, es muss eine Art unbekanntes Elementarteilchen sein, aber darüber hinaus sind wir uns nicht sicher. Alle Versuche, Teilchen der Dunklen Materie in Laborexperimenten nachzuweisen, sind bisher gescheitert, und Physiker diskutieren seit Jahrzehnten über ihre Natur.

Wissenschaftler haben zwei führende hypothetische Kandidaten für Dunkle Materie vorgeschlagen: relativ schwere Teilchen, die als schwach wechselwirkende massive Teilchen (oder WIMPs) bezeichnet werden, und extrem leichte Teilchen, die Axionen genannt werden. Theoretisch würden sich WIMPs wie diskrete Teilchen verhalten, während sich Axionen aufgrund von Quanteninterferenz viel mehr wie Wellen verhalten würden.

Es war schwierig, zwischen diesen beiden Möglichkeiten zu unterscheiden – aber jetzt hat um ferne Galaxien gebogenes Licht einen Hinweis geliefert.

Gravitationslinsen und Einsteinringe

Wenn Licht, das durch das Universum wandert, ein massives Objekt wie eine Galaxie passiert, wird sein Weg gebogen, weil – gemäß Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie – die Schwerkraft des massiven Objekts Raum und Zeit um sich herum verzerrt.

Infolgedessen können wir manchmal, wenn wir auf eine entfernte Galaxie blicken, verzerrte Bilder von anderen Galaxien dahinter sehen. Und wenn die Dinge perfekt ausgerichtet sind, wird das Licht der Hintergrundgalaxie in einen Kreis um die nähere Galaxie verschmiert.

Diese Lichtverzerrung wird „Gravitationslinseneffekt“ genannt, und die Kreise, die er erzeugen kann, werden „Einstein-Ringe“ genannt.

Indem sie untersuchen, wie die Ringe oder andere Linsenbilder verzerrt sind, können Astronomen etwas über die Eigenschaften des Halos aus dunkler Materie lernen, der die nähere Galaxie umgibt.

Axionen vs. WIMPs

Und genau das haben Amruth und sein Team in ihrer neuen Studie getan. Sie untersuchten mehrere Systeme, bei denen mehrere Kopien desselben Hintergrundobjekts um die Linsengalaxie im Vordergrund herum sichtbar waren, mit besonderem Fokus auf einem namens HS 0810+2554.

Mittels detaillierter Modellierung berechneten sie, wie die Bilder verzerrt würden, wenn dunkle Materie aus WIMPs bestehen würde, im Vergleich dazu, wie sie es tun würden, wenn dunkle Materie aus Axionen bestehen würde. Das WIMP-Modell sah der Realität nicht sehr ähnlich, aber das Axion-Modell reproduzierte alle Merkmale des Systems genau.

Das Ergebnis deutet darauf hin, dass Axionen ein wahrscheinlicherer Kandidat für dunkle Materie sind, und ihre Fähigkeit, Linsenanomalien und andere astrophysikalische Beobachtungen zu erklären, versetzt Wissenschaftler in Aufregung.

Teilchen und Galaxien

Die neue Forschung baut auf früheren Studien auf, die ebenfalls auf Axionen als die wahrscheinlichere Form der Dunklen Materie hingewiesen haben. Beispielsweise untersuchte eine Studie die Auswirkungen von Axion-Dunkelmaterie auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund, während eine andere das Verhalten von Dunkler Materie in Zwerggalaxien untersuchte.

Obwohl diese Forschung die wissenschaftliche Debatte über die Natur der Dunklen Materie noch nicht beenden wird, eröffnet sie doch neue Wege für Tests und Experimente. Zum Beispiel könnten zukünftige Gravitationslinsenbeobachtungen verwendet werden, um die wellenartige Natur von Axionen zu untersuchen und möglicherweise ihre Masse zu messen.

Ein besseres Verständnis der Dunklen Materie wird Auswirkungen auf unser Wissen über Teilchenphysik und das frühe Universum haben. Es könnte uns auch helfen, besser zu verstehen, wie sich Galaxien im Laufe der Zeit bilden und verändern.