Neue Studie kippt Theorie zur Dunklen Materie

Ein Forschungsteam hat eine grundlegende Annahme über Dunkle Photonen widerlegt, die bisher als heiße Kandidaten für die Dunkle Materie gelten. Die Wissenschaftler Junwu Huang und Mohamad Shalaby vom Perimeter Institute im kanadischen Waterloo sowie Anson Hook von der US-amerikanischen University of Maryland haben in einer neuen Studie gezeigt, dass bisherige physikalische Modelle zur Entwicklung des frühen Universums unvollständig waren. Wie in einer im Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlichten Studie zu lesen ist, eröffnet diese Erkenntnis riesige, bisher ausgeschlossene Bereiche für die experimentelle Suche. Die Natur der sogenannten Dunklen Materie gilt als eines der größten ungelösten Rätsel der modernen Physik. Obwohl sie über die Gravitation die Strukturen von Galaxien formt, entzieht sie sich bisher jedem direkten Nachweis. Dunkle Photonen sind eine besonders vielversprechende Theorie, um dieses Geheimnis zu lüften. Bislang ging die Kosmologie davon aus, dass sich diese hypothetischen Teilchen in dem extrem heißen Plasma aus geladenen Teilchen, das kurz nach dem Urknall den gesamten Raum füllte, in gewöhnliches Licht umgewandelt haben müssten. Dunkle Materie: Ein verhängnisvoller Rechenfehler in der Kosmologie Dieser Umwandlungsprozess hätte das Gas massiv weiter aufheizen und deutliche physikalische Spuren hinterlassen müssen. Da astronomische Beobachtungen eine solche historische Aufheizung jedoch nie nachweisen konnten, zog die Wissenschaft drastische Schlüsse. Riesige Parameterbereiche für die Existenz dieser speziellen Dunklen Photonen wurden rigoros ausgeschlossen. Die neue Untersuchung belegt nun, dass genau diese weitreichende Schlussfolgerung auf einem reinen Rechenfehler beziehungsweise einer unzulässigen Vereinfachung beruhte. Um das 15 Jahre alte Problem zu lösen, setzten die Forscher auf spezielle Computersimulationen. Bei diesen sogenannten Particle-in-Cell-Modellen wird das Verhalten einzelner Teilchen in einem elektromagnetischen Raster berechnet, wodurch sich die Vorgänge im frühen Kosmos extrem detailliert nachstellen ließen. Dabei zeigte sich, dass die Energie von Dunklen Photonen nicht einfach gleichmäßig und berechenbar in das System fließt, was die Physik gemeinhin als linearen Prozess bezeichnet. „Was wir erkannten, ist, dass das Plasma tatsächlich verrückt spielt, während man Energie in das Standardmodell-Plasma umwandelt“, erklärt Junwu Huang laut einem Bericht des Wissenschaftsportals Phys.org. Gemeint ist damit jenes Plasma, das aus den uns physikalisch bekannten Teilchen der normalen Materie besteht. Plasma-Simulationen widerlegen lineare Astrophysik-Modelle In der Praxis bedeutet das einen extrem chaotischen Ablauf auf Teilchenebene. Sobald auch nur ein winziger Bruchteil der Energie von den Dunklen Photonen in das heiße Gas übertritt, entstehen sofort elektrostatische Schwingungen, sogenannte Langmuir-Wellen. Gleichzeitig bilden sich Schallwellen, die durch die schwereren Ionen des Plasmas getragen werden, wodurch sich die lokale Dichte des Gases schlagartig und extrem stark verändert. Diese heftigen, nichtlinearen Reaktionen zerstören den fundamentalen Resonanz-Effekt umgehend. Die Umwandlung von Dunklen Photonen bricht somit praktisch im selben Moment ab, in dem sie beginnt. Das Plasma blockiert die Energieaufnahme selbst, lange bevor sich der Kosmos signifikant aufheizen kann. Jagd nach Dunklen Photonen beginnt von vorn Die Auswirkungen auf die Wissenschaft sind immens, denn die alten Berechnungen erklärten Dunkle Photonen in großen Massebereichen fälschlicherweise für absolut inexistent. „Diese Ausschlüsse besagten, dass die Stärke der Dunklen Materie 100 Millionen Mal schwächer sein musste, als sie tatsächlich sein kann“, wird Anson Hook aus der Studie zitiert. Die Jagd nach den unsichtbaren Bausteinen unseres Universums kann nun in genau jenen Massenspektren fortgesetzt werden, die man in der Physik lange Zeit für vollkommen aussichtslos hielt. So faszinierend die neuen Erkenntnisse sind, sie bergen auch gewaltige methodische Herausforderungen für die Astrophysik. Die Studie zeigt, dass lineare Näherungen in der Kosmologie die Realität im All oft verfälschen. Forscher:innen werden in Zukunft auch andere astrophysikalische Systeme, wie die Magnetfelder von Neutronensternen, mit wesentlich aufwendigeren, nichtlinearen Modellen neu berechnen müssen, um teure Fehleinschätzungen zu vermeiden. Ob sich in den jetzt wieder offenen Forschungsbereichen am Ende tatsächlich Dunkle Photonen verbergen, müssen künftige Experimente jedoch erst noch beweisen.