Universum: Dunkle Materie könnte aus Axionen bestehen
Ein Forschungsteam aus Toronto(öffnet im neuen Fenster) hat Anzeichen dafür entdeckt, dass die dunkle Materie aus hypothetischen, ultraleichten Teilchen namens Axionen bestehen könnte. In der Quantenmechanik werden Axionen aufgrund ihres wellenartigen Verhaltens als unscharf beschrieben.
Anders als diskrete punktförmige Teilchen können Axionen Wellenlängen haben, die größer sind als ganze Galaxien. Diese Unschärfe beeinflusst die Entstehung und Verteilung der dunklen Materie und könnte erklären, warum das Universum weniger klumpig ist, als die Vorhersagen für ein Universum ohne Axionen postulieren.
Neben Axionen gelten Wimps (Weakly Interacting Massive Particles) als Kandidaten für die dunkle Materie. Das sind schwere, schwach wechselwirkende subatomare Teilchen.
Gegen die Wimps-Theorie spricht allerdings die fehlende Klumpenbildung, die Astronomen in großen Galaxiendurchmusterungen beobachtet haben. Trotz Experimenten etwa mit dem Large Hadron Collider wurden bisher keine Beweise für die Existenz von Wimps gefunden.
Versuchsaufbau der kanadischen Studie
Für die Studie analysierte das Team Beobachtungen von Lichtrelikten aus dem Urknall, die als kosmischer Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) bekannt sind. Diese Durchmusterungen stammen vom Südpol-Teleskop (South Pole Telescope, SPT) und dem Atacama Cosmology Telescope (ACT). Die CMB-Daten wurden mit den Daten des Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (Boss) verglichen. Die Boss-Daten umfassen eine Kartografie von etwa einer Million Galaxien im nahen Universum, mit denen die Galaxienhäufungen gut dargestellt sind.
Die Verteilung der Galaxien spiegelt das Verhalten der dunklen Materie unter Gravitationseinfluss wider. Jedoch zeigen sich Schwankungen in der Materiemenge im gesamten Univsersum. Das ist für das Forschungsteam die Bestätigung, dass die dunkle Materie weniger klumpig ist als theoretisch vorhergesagt.
Anschließend führten die Forscher Computersimulationen durch, um das Auftreten von Reliktlicht und die Verteilung von Galaxien im Universum mit langen Wellen dunkler Materie vorherzusagen. Das Team kam zu dem Schluss, dass Axionen für das Problem der Klumpigkeit verantwortlich sein könnten.
"Wir haben jetzt die Werkzeuge, die es uns ermöglichen könnten, das alte Mysterium der dunklen Materie endlich auch experimentell zu verstehen – und das könnte uns Hinweise auf Antworten auf noch größere theoretische Fragen geben. Die Hoffnung ist, dass die rätselhaften Elemente des Universums lösbar sind", sagte Keir Rogers in einer Pressemitteilung(öffnet im neuen Fenster). Er ist Astrophysiker am Dunlap-Institut für Astronomie und Astrophysik der Universität Toronto.
Forschung noch lange nicht abgeschlossen
Ein endgültiger Beweis, dass die dunkle Materie tatsächlich aus Axionen und nicht aus Wimps besteht, ist dies aber noch nicht. Das Forschungsteam hofft, seine Theorie künftig mit direkten Beobachtungen der dunklen Materie durch Gravitationslinsen vergleichen zu können.
Bei diesem Effekt wird die Verklumpung der dunklen Materie daran gemessen, wie stark sie das Licht von weit entfernten Galaxien ablenkt, ähnlich wie bei einem riesigen Vergrößerungsglas. Zudem wollen die Forscher untersuchen, wie Galaxien Gas in den Weltraum ausstoßen und wie sich dies auf die Verteilung der dunklen Materie auswirkt.
Die aktuelle Studie erschien am 14. Juni 2023 im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics und heißt Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering(öffnet im neuen Fenster) (Ultraleichte Axionen und die S8-Spannung: gemeinsame Einschränkungen durch den kosmischen Mikrowellenhintergrund und die Galaxienhäufung).
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