Im Zentrum der Milchstraße leuchtet es: Sieht die Menschheit zum ersten Mal Dunkle Materie?

Wenn im Wohnzimmer das Licht ausgeht, bleibt der Raum trotzdem da. In der Astronomie ist es ähnlich: Galaxien verhalten sich so, als stecke um sie herum viel mehr „Substanz“, als Teleskope sehen können. Ohne dieses unsichtbare Zusatzgewicht würden viele Galaxien nicht so stabil rotieren, wie sie es tun.

Aus diesem Widerspruch leitete der Schweizer Astronom Fritz Zwicky in den 1930er-Jahren eine unsichtbare „Trägerstruktur“ ab: Dunkle Materie. Sie soll rund 85 Prozent der Materie im All ausmachen, doch ein eindeutiger Nachweis fehlt bis heute. Fast 100 Jahre später meldet nun eine neue Auswertung von NASA-Daten ein Signal, das diese unsichtbare Masse erstmals indirekt „sichtbar“ machen könnte – als schwaches Leuchten aus Gammastrahlen rund um das Zentrum der Milchstraße.

Das 20-GeV-Signal: Ein Peak, der nicht ins Rauschen passt

Im Kern geht es um einen Energieschwerpunkt bei rund 20 Gigaelektronenvolt (GeV). Das Signal stammt aus Daten des Fermi Gamma-ray Space Telescope, das seit vielen Jahren den Himmel im hochenergetischen Bereich vermisst. In der Analyse zeigt sich ein statistisch signifikanter, haloförmiger Überschuss („Halo-like excess“) in Richtung galaktisches Zentrum. Entscheidend ist dabei die Form: Das Leuchten wirkt nahezu kugelsymmetrisch um das Zentrum – so, wie man es für einen Dunkle-Materie-Halo erwarten würde.

Noch etwas macht das Signal so interessant: Es wirkt nicht wie ein zufälliges Flackern, sondern wie ein Muster mit klarer „Signatur“. In den Daten taucht das Leuchten praktisch nur in einem bestimmten Energiefenster auf. Unterhalb von 2 GeV und oberhalb von 200 GeV verschwindet es fast vollständig. Dazwischen nimmt es zu und erreicht bei etwa 20 GeV seinen Höhepunkt.

Diese scharf abgegrenzte Form lässt Astrophysiker aufhorchen, weil viele gewöhnliche Gammastrahlenquellen eher breit gestreut „auslaufen“, statt so deutlich ein Maximum zu bilden.

Warum Dunkle Materie so schwer zu greifen ist

Dunkle Materie lässt sich bislang nur über ihre Gravitationswirkung fassen: Sie hält Galaxien zusammen und beeinflusst, wie sich große Strukturen im Universum formen. Direkt sehen kann man sie nicht, weil sie nach der gängigen Arbeitshypothese kaum mit Licht in Kontakt kommt. Sie sendet kein Licht aus und reflektiert auch keines. Außerdem absorbiert sie Licht nicht messbar.

Deshalb setzen viele Projekte auf „Umwege“: Man sucht nach Teilchen, die selten mit normaler Materie zusammenstoßen, oder nach Strahlung, die bei Zerfall oder Kollisionen Dunkler-Materie-Teilchen entstehen könnte. In dieses Feld fällt der neue Fermi-Befund.  

WIMPs als Kandidaten – und die Idee der „Selbstvernichtung“

Der neue Ansatz knüpft an einen Klassiker an: WIMPs („weakly interacting massive particles“), auf Deutsch meist als „schwach wechselwirkende, massereiche Teilchen“ umschrieben. Die Idee: Solche Teilchen wären deutlich schwerer als Protonen, reagieren aber fast nie mit gewöhnlicher Materie. Treffen zwei WIMPs dennoch aufeinander, könnten sie sich gegenseitig vernichten. Dabei würden unter anderem Gammastrahlen entstehen.

Der Astrophysiker und Studienautor Tomonori Totani von der Universität Tokio schreibt, das gefundene Muster passe zu dieser Erwartung. „Wir haben Gammastrahlen mit einer Photonenenergie von 20 Gigaelektronenvolt entdeckt, die sich haloförmig in Richtung des Zentrums der Milchstraße erstrecken. Die Gammastrahlen-Emissionskomponente passt eng zu der Form, die man für den Dunkle-Materie-Halo erwartet.“

Das beobachtete Spektrum sei mit der erwarteten Emission aus der WIMP-Annihilation vereinbar – inklusive einer groben Größenordnung, wonach solche Teilchen etwa 500-mal schwerer als ein Proton sein könnten, heißt es.  

Warum das Ergebnis trotzdem noch kein „Beweis“ ist

So spannend die Übereinstimmung klingt: Gerade im Zentrum der Milchstraße ist das Signal-Umfeld äußerst komplex. Dort sitzen viele mögliche Störquellen – von Pulsaren über Supernova-Reste bis zu großräumigen Strukturen wie den Fermi-Blasen. Wer Dunkle Materie in Gammastrahlen sucht, muss daher erst einmal das „normale“ Gamma-Hintergrundrauschen modellieren und abziehen. Und an dieser Stelle haben frühere Kandidaten-Signale schon oft versagt.

Auch Totani selbst relativiert: Die Messung müsse unabhängig bestätigt werden. Und selbst dann brauche es weitere Prüfsteine. Ein besonders wichtiger wäre, das gleiche 20-GeV-Muster auch an anderen Orten zu sehen, an denen Dunkle Materie konzentriert sein sollte – etwa in Zwerggalaxien im Halo der Milchstraße. „Das könnte gelingen, sobald mehr Daten vorhanden sind. Dann wäre das ein noch stärkerer Beleg dafür, dass die Gammastrahlen tatsächlich von Dunkler Materie stammen“, so Totani.

Auch externe Stimmen mahnen bereits öffentlich zur Vorsicht: Solange vergleichbare Signale aus Zwerggalaxien fehlen und die Hintergrundmodelle nicht robuster gegengeprüft sind, bleibt der Befund eine starke Spur – aber kein endgültiger Nachweis.

Was auf dem Spiel steht, wenn es sich bestätigt

Sollte sich das Ergebnis halten, hätte es zwei große Konsequenzen. Erstens: Dunkle Materie wäre nicht mehr nur ein „Gravitations-Phantom“, sondern hätte einen messbaren, reproduzierbaren Strahlungsabdruck. Zweitens: Die Daten würden auf ein neues Elementarteilchen hinweisen, das im heutigen Standardmodell nicht vorkommt. Totani formuliert es in der Mitteilung maximal zugespitzt: „Wenn das stimmt, wäre das nach meinem Wissen das erste Mal, dass die Menschheit Dunkle Materie ‚gesehen‘ hat.“

Kurz zusammengefasst:

• Könnte ein Gammastrahlen-Signal aus dem Zentrum der Milchstraße erstmals den Nachweis für Dunkle Materie liefern? In den Messdaten des Fermi-Teleskops erscheint ein ringförmiges Leuchten um das Zentrum, am stärksten bei etwa 20 GeV.
• Eine mögliche Erklärung: Unsichtbare Teilchen der Dunklen Materie stoßen sehr selten zusammen und erzeugen dabei hochenergetische Strahlung, die das Teleskop als Gammastrahlen registriert.
• Sicher ist das noch nicht, weil im Milchstraßen-Zentrum viele „normale“ Quellen ähnliche Signale verursachen können; erst unabhängige Prüfungen und ein ähnlicher Fund in Zwerggalaxien würden die Spur deutlich stärken.

Übrigens: Während Forscher im All nach dem Nachweis Dunkler Materie suchen, haben Physiker nun ein anderes Rätsel gelöst – sie widerlegen die Idee, dass das Universum nur eine gigantische Simulation ist. Mehr dazu in unserem Artikel.

Bild: © Pablo Carlos Budassi via Wikimedia unter CC BY-SA 4.0