Wissenschaft: Planeten aus dunkler Materie - die Suche kann beginnen
Bisher sind über 5.000 Exoplaneten entdeckt(öffnet im neuen Fenster) entdeckt und bestätigt worden. Nun stellt eine Forschungsgruppe eine ganz neue Art von Exoplaneten vor. Sie sollen aus dunkler Materie bestehen. Wie man nach ihnen sucht, erklärt das Team in einer Studie. Ob sich Planeten aus dunkler Materie beweisen lassen, bleibt dabei jedoch offen.
Galaxien haben ein entscheidendes Problem: Ihre Masse ist viel zu klein, damit sie die enthaltenen Sterne mit ihren Gravitationskräften zusammenhalten können. In unserem Universum muss es somit etwas geben, das alles zusammenhält. Doch man kann es nicht finden, dieses dunkle Mysterium.
Dunkle Materie: Das Mysterium unseres Universums
Nur knapp fünf Prozent von dem, was wir sehen, – also Planeten, Sterne, Staub und auch wir – bestehen aus der "normalen" sichtbaren Materie. Weitere 27 Prozent bestehen aus nicht leuchtender und daher unsichtbarer Materie, die von der Fachwelt dunkle Materie genannt wird. Der Rest des Universums soll überwiegend aus dunkler Energie bestehen, dem Stoff, der für die beschleunigte Expansion des Universums verantwortlich gemacht wird.
Doch was wir nicht sehen, können wir nur hypothetisch beweisen. Die Fachwelt weiß eigentlich nicht, was dunkle Materie genau ist. Das Einzige, was Wissenschaftler mit Sicherheit bestätigen können, ist, dass die Schwerkraft im Universum diejenige der "herkömmlichen" baryonischen Materie deutlich übersteigt.
Bisher wurden nicht viele Planetensysteme wie unser eigenes Sonnensystem entdeckt. Doch eines scheinen sie gemeinsam zu haben: Sie bestehen aus der besagten baryonischen Materie, die aus Atomen aufgebaut ist.
Die Suche nach Exoplaneten aus dunkler Materie
Da klingt es noch verrückter, dass es Exoplaneten geben soll, die vollkommen aus dunkler Materie bestehen. Und wie sollen sie überhaupt entdeckt werden ? Mit dieser Frage beschäftigte sich ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des theoretischen Physikers Yang Bai von der University of Wisconsin-Madison (USA). Die Forscher wollten wissen, wie sich diese hypothetischen Planeten manifestieren würden und ob wir sie aufspüren könnten.
In unserem Universum gäbe es selbst dann noch Schwerkraft, wenn alle Galaxien, Sterne und Staubwolken im Universum verschwinden würden. Diese Schwerkraft lässt sich messen. Während dunkle Materie normalerweise im Zusammenhang mit einzelnen Teilchen diskutiert wird, konzentrierten sich die Forscher auf eine andere Form: auf zusammengesetzte Strukturen aus dunkler Materie, die auf einer makroskopischen Ebene existieren könnten. Berechnungen zufolge könnten diese Strukturen Massen besitzen, die denen von Planeten entsprechen.
"Ein makroskopischer Zustand dunkler Materie, dessen Masse und/oder Radius denen eines Planeten ähnelt, verhält sich wie ein dunkler Exoplanet, wenn er an ein Sternensystem gebunden ist, selbst wenn die zugrunde liegende Physik des Objekts etwas ganz anderem ähnelt" , erklärten Bai und seine Kollegen.
Wie sucht man einen Exoplaneten aus dunkler Materie?
Die Suche nach einem Exoplaneten aus dunkler Materie gestaltet sich ähnlich wie die Suche nach normalen Exoplaneten. Derzeit untersuchen Wissenschaftler und Astronomen, wie sich das Licht eines Sterns beim Vorbeiziehen eines Exoplaneten verändert. Ähnliches kennen wir von Sonnenfinsternissen auf der Erde oder dem Transit von Venus und Merkur.
Der Transit schwächt das Licht des Sterns ein klein wenig ab. Astronomen können die Abschwächung messen, um den Radius des Exoplaneten zu berechnen. Zudem haben Exoplaneten Auswirkungen auf die Bewegung eines Sterns, da sich beide um ein gemeinsames Gravitationszentrum bewegen. Dies macht sich durch die Veränderung von Wellenlängen des Sternenlichts bemerkbar. Die Größe der Bewegung, die als Radialgeschwindigkeit bezeichnet wird, kann zur Berechnung der Masse des Exoplaneten verwendet werden.
Anhand dieser Messungen können Forscher die Dichte eines Exoplaneten berechnen und so feststellen, wie er aufgebaut ist. Eine niedrige Dichte deutet auf eine riesige Atmosphäre mit geringer Dichte hin, also auf einen Gasriesen wie beispielsweise Jupiter. Diese Planeten haben meistens einen größeren Radius. Eine felsige Zusammensetzung wie bei unserer Erde verrät sich durch eine hohe Dichte. Hier ist der Radius oftmals kleiner – muss es aber nicht immer sein.
Außerdem kann die Zusammensetzung der Atmosphäre von Exoplaneten durch die Transitdaten bestimmt werden. Dabei wird das Lichtspektrum des Sterns während des Transits gemessen. Dieses wird mit dem normalen Licht des Sterns verglichen. Die Forscher suchen dann nach schwächeren und stärkeren Wellenlängen. Ein Teil des Lichts wird von den Molekülen in der Atmosphäre absorbiert oder emittiert (wieder ausgeschüttet, abgegeben). Anhand der analysierten Molekül-Daten kann die Atmosphäre bestimmt werden.
Exoplaneten aus dunkler Materie sollen andere Eigenschaften aufweisen
Wenn das Transitspektrum einige schwerwiegende Anomalien aufweist, könnte dies auf die Anwesenheit eines Exoplaneten aus dunkler Materie hindeuten. Damit könnte ein Exoplanet aus dunkler Materie andere Eigenschaften aufweisen als gewöhnliche Exoplaneten, die dem derzeitigen Verständnis der Planetenentstehung widersprechen.
So könnte ein solcher Exoplanet dichter als Eisen sein oder eine so geringe Dichte aufweisen, dass seine Existenz nicht zu erklären ist. Wenn die Radialgeschwindigkeit darauf hindeutet, dass ein Exoplanet vor einem Stern vorbeiziehen sollte und dann kein Transit beobachtet wird, könnte dies ein Hinweis auf einen Exoplaneten aus dunkler Materie sein. Wenn eine Transitdelle (die sogenannte Lichtkurve) eine unerwartete Form aufweist, könnte auch das ein Hinweis sein.
"Aufgrund seiner winzigen, aber nicht verschwindenden Wechselwirkungsstärke mit den Teilchen des Standardmodells ist der Exoplanet aus dunkler Materie möglicherweise nicht völlig undurchsichtig, so dass sich die Form seiner Lichtkurve von der eines gewöhnlichen Exoplaneten unterscheidet" , heißt es in der Studie.
Spannende Grundlagenforschung oder ein reines Gedankenexperiment?
Zwar liefert das Forschungsteam damit eine einfache Grundlage für eine komplexere theoretische Analyse, jedoch wurden beispielsweise nur kreisförmige Bahnen berücksichtigt. Besonders bei Exoplaneten, die von einem Stern eingefangen wurden, ist jedoch eine elliptische Umlaufbahn wahrscheinlicher.
Auch die theoretischen Eigenschaften der Planeten sind relativ einfach gehalten, weshalb die Studie ( Dark Exoplanets(öffnet im neuen Fenster) , veröffentlicht am 21. März 2023 auf dem Preprint-Server arxiv.org) nicht für das Auffinden und den Beweis für die Existenz von Dunkler-Materie-Exoplaneten ausreichen wird.
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