Fermi-Daten liefern neue Hinweise auf Dunkle Materie

Eine neue Untersuchung des Gammalichts aus dem Zentrum unserer Galaxie liefern den bislang besten Beleg dafür, dass manche dieser Emissionen von Dunkler Materie stammen könnten, einer unbekannten Substanz, die einen Großteil der Materie im Universum ausmacht. Mit öffentlich verfügbaren Daten des Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA haben unabhängige Forscher neue Karten erstellt, auf denen zu sehen ist, dass das galaktische Zentrum mehr hochenergetische Gammastrahlen produziert, als durch bekannte Quellen erklärt werden kann und dass dieser Strahlungsüberschuss mit manchen Formen von Dunkler Materie übereinstimmt. Die Wissenschaftler arbeiten am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), dem Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Chicago.

“Die neuen Karten erlauben uns, den Überschuss zu analysieren und zu prüfen, ob konventionellere Erklärungen wie die Anwesenheit eines unentdeckten Pulsars oder Kollisionen von kosmischen Strahlen mit Gaswolken dafür in Betracht gezogen werden können”, sagte Dan Hooper, ein Astrophysiker vom Fermilab in Batavia (Illinois) und ein leitender Autor der Studie. “Das von uns gefundene Signal kann nicht durch derzeit vermutete Alternativen erklärt werden und steht in enger Übereinstimmung mit den Vorhersagen sehr einfacher Dunkle-Materie-Modelle.”

Das galaktische Zentrum ist mit Gammaquellen übersät, von interagierenden Doppelsternsystemen und isolierten Pulsaren bis hin zu Supernova-Überresten und Teilchen, die mit interstellarem Gas kollidieren. Dort erwarten Astronomen auch die höchste Dichte von Dunkler Materie in der Galaxie, welche normale Materie und Strahlung nur durch ihre Gravitation beeinflusst. Große Mengen Dunkle Materie ziehen normale Materie an und bilden ein Gerüst, auf dem sich sichtbare Strukturen wie Galaxien aufbauen.

Niemand kennt die wahre Natur von Dunkler Materie, aber WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles; schwach wechselwirkende, massereiche Teilchen) repräsentieren eine führende Kandidatenklasse. Theoretiker stellen sich einen weiten Bereich von WIMP-Typen vor, von denen sich einige gegenseitig auslöschen könnten oder einer ein mittelschweres, schnell zerfallendes Teilchen produzieren, wenn sie kollidieren. Beide Möglichkeiten enden mit der Erzeugung von Gammastrahlen – der energiereichsten Form von Licht – bei Energien im Nachweisbereich des Large Area Telescope (LAT) an Bord Fermis.

Wenn Astronomen sorgfältig alle bekannten Gammaquellen aus den LAT-Beobachtungen des galaktischen Zentrums entfernen, bleiben Emissionen übrig. Dieser Überschuss erscheint am deutlichsten bei Energien zwischen einer und drei Milliarden Elektronenvolt (etwa eine Milliarde mal höher als die Energie von sichtbarem Licht) und erstreckt sich vom galaktischen Zentrum mindestens 5.000 Lichtjahre nach außen.

Die Animation zeigt den Gammastrahlenhintergrund im galaktischen Zentrum. (NASA Goddard / A. Mellinger (Central Michigan Univ.) and T. Linden (Univ. of Chicago))

Hooper und seine Kollegen schlussfolgern, dass Auslöschungen von Dunkle-Materie-Teilchen mit Massen zwischen 31 und 40 Gigaelektronenvolt bemerkenswert gut zu dem Überschuss passen, basierend auf seinem Gammaspektrum, seiner Symmetrie um das galaktische Zentrum herum und seiner Gesamthelligkeit. In einer Abhandlung, die bei dem Journal Physical Review D eingereicht wurde, schreiben die Forscher, dass diese Strukturen schwer mit anderen vermuteten Erklärungen in Einklang zu bringen sind, obwohl sie betonen, dass plausible Alternativen, die keine Dunkle Materie erfordern, noch realisiert werden könnten.

“Dunkle Materie in diesem Massenbereich kann durch direkten Nachweis und durch den Large Hadron Collider (LHC) untersucht werden. Wenn das also Dunkle Materie ist, erfahren wir bereits aus dem fehlenden Nachweis etwas über ihre Wechselwirkungen”, sagte Co-Autorin Tracy Slatyer, eine theoretische Physikerin vom MIT in Cambridge (Massachusetts). “Das ist ein sehr aufregendes Signal und obwohl der Fall noch nicht abgeschlossen ist, könnten wir in Zukunft darauf zurückblicken und sagen, dass dies das erste Mal war, als wir eine Auslöschung von Dunkler Materie sahen.”

Die Forscher mahnten an, dass mehrfache Sichtungen in anderen astronomischen Objekten, im LHC oder in einigen der direkten Nachweis-Experimente erforderlich seien, um ihre Interpretation von Dunkler Materie zu bestätigen. “Unser Fall ist ein Ausschlussargument. Wir machten eine Liste, hakten Dinge ab, die nicht funktionierten und landeten bei Dunkler Materie”, sagte Co-Autor Douglas Fingbeiner, ein Professor für Astronomie und Physik am CfA und in Cambridge.

“Diese Studie ist ein Beispiel für innovative Techniken, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf Fermi-Daten angewandt wurden”, sagte Peter Michelson, ein Physik-Professor der Stanford University in Kalifornien und der leitende Wissenschaftler des LAT. “Die Fermi LAT Collaboration führt die Untersuchung der außergewöhnlich komplexen Zentralregion der Milchstraßen-Galaxie fort, aber bis diese Studie abgeschlossen ist, können wir diese interessante Analyse weder bestätigen noch widerlegen.”

Obwohl die große Menge Dunkler Materie, die im galaktischen Zentrum vermutet wird, ein starkes Signal produzieren sollte, verkompliziert die Konkurrenz vieler anderer Gammaquellen jeden Nachweis. Aber das Problem auf den Kopf zu stellen, erlaubt eine andere Möglichkeit, um es anzugehen: Statt die größte nahe Ansammlung von Dunkler Materie zu betrachten, schaut man dort, wo das Signal weniger Herausforderungen hat.

Zwerggalaxien, welche die Milchstraßen-Galaxie umkreisen, fehlt es an anderen Gammaquellen und enthalten für ihre Ausmaße große Mengen Dunkler Materie. Sie sind tatsächlich die Quellen, die am stärksten von Dunkler Materie dominiert werden. Aber es gibt ein Haken: Weil sie viel weiter entfernt sind und insgesamt weniger Dunkle Materie enthalten als im Zentrum der Milchstraßen-Galaxie, produzieren sie ein viel schwächeres Signal und es erfordert viele Beobachtungsjahre, um einen sicheren Nachweis zu erbringen.

In den vergangenen vier Jahren hat das LAT-Team in Zwerggalaxien nach Hinweisen auf Dunkle Materie gesucht. Die veröffentlichten Ergebnisse dieser Studien haben dem Massebereich und den Interaktionsraten vieler vermuteter WIMPs enge Grenzen gesetzt und einige Modelle sogar ausgeschlossen. In den neuesten Ergebnissen der Untersuchung, veröffentlicht am 11. Februar 2014 in Physical Review D, erkannte das Fermi-Team einen kleinen, aber herausfordernden Gammastrahlenüberschuss.

“Es gibt eine Wahrscheinlichkeit von 1:12, dass das, was wir in den Zwerggalaxien sehen, überhaupt kein Signal ist, sondern nur eine Fluktuation im Gammastrahlenhintergrund”, erklärte Elliott Bloom, ein Mitglied der LAT Collaboration vom Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology am SLAC National Accelerator Laboratory. Falls es echt ist, sollte das Signal stärker werden, wenn Fermi zusätzliche Beobachtungsdaten sammelt und Himmelsdurchmusterungen weitere Zwerggalaxien finden. “Falls wir letztendlich ein signifikantes Signal sehen”, ergänzte er, “könnte das eine überzeugende Bestätigung für das Dunkle-Materie-Signal aus dem galaktischen Zentrum sein.”

Quelle: http://www.nasa.gov/content/goddard/fermi-data-tantalize-with-new-clues-to-dark-matter/index.html

(THK)