Eines der größten Rätsel der Physik: Stehen wir kurz vor der Enttarnung der Dunklen Materie?

Unendliche Weiten voller Unbekanntem. Forscher kommen der ominösen Dunklen Materie näher - jetzt durch ihren Todesschrei. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Stellt euch vor, ihr lebt in einem Haus, in dem noch 19 weitere Personen wohnen. Ihr teilt euch mit ihnen alles, könnt aber nur zwei weitere sehen. Die 17 anderen sind unüberhörbar anwesend, verrücken Gegenstände und verschmutzen sogar das Haus - aber egal, wo ihr sucht, ihr findet sie nie.

Ungefähr so geht es Wissenschaftlern auf der Hatz nach Dunkler Materie. Allerdings spenden mathematische Modelle Hoffnung, wonach wir Ausschau halten sollten - doch handelt es sich mehr um eine zarte Fährte, denn ein klares Abbild. Wir erklären euch, was hinter einer potenziell sensationellen Entdeckung in den Grenzregionen der Milchstraße stecken könnte, die unsere Heimatgalaxie förmlich in den Schatten stellt.

Was ist Dunkle Materie?

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Dunkle Materie und Dunkle Energie machen nach den Standardmodellen der Kosmologie einen Großteil der Masse des Universums aus. Denn das Universum besteht zu 95 Prozent aus etwas, das wir weder sehen noch berühren können. Aber woher wissen wir dann von ihrer Existenz?

Dunkle Materie: Wir können die Anziehungskraft von Dunkler Materie messen: Wir beobachten, dass Nichts sichtbare Materie anzieht. Deswegen gehen wir davon aus, dass Dunkle Materie existiert. Ohne sie würden all die Galaxien, wie wir sie kennen, nicht existieren - sie rissen auseinander. Sie macht 26,8 Prozent aller Masse im Universum aus.

Dunkle Energie: Wenn es nur Dunkle Materie gäbe, könnten wir uns nicht erklären, warum sich das Universum ausdehnt. Dafür muss es Dunkle Energie geben. Sie macht 63,8 Prozent der Masse im Universum aus.

Auf alles Sichtbare im Universum entfällt nur 4,9 Prozent der Masse. Dennoch bleiben Dunkle Materie und Energie rein theoretische Konzepte: Alle Versuche, der Dunklen Materie oder der Dunklen Energie durch Beobachtung oder Messung habhaft zu werden, scheiterten bisher (via Welt der Physik).

Wenn Unsichtbares alles überstrahlt

Wie sollen wir etwas aufspüren, dem wir wahrhaft egal sind - also physikalisch betrachtet. Weder reagiert dieser Gesuchte auf uns, noch sehen noch hören, ja höchstens spüren wir ihn. Fast wie ein Geist treibt Dunkle Materie seit dem Anbeginn der Zeit ihr Unwesen. Doch wollen wir sie verstehen, müssen wir hinter den sprichwörtlichen Vorhang des Universums schauen. Denn ohne das Unsichtbare kann das fürs Greif- und Sichtbare Notwendige nicht funktionieren (siehe Klappkasten oben).

Wir bewegen uns hier im Fahrwasser wirklich fundamentaler Fragen, wie zum Beispiel dem Ende des Universums als Ganzes – mehr dazu in diesem Artikel.

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Die Arbeit der Forscher zielt auf eine seit Langem spekulierte Interaktion ab. Denn auch wenn sich Dunkle Materie quasi allem entzieht, mag es doch sogenannte »Weakly Interacting Massive Particles« (WIMPs) geben.

Wir kennen sie bisher nicht, aber als hypothetische Teilchen, die mathematisch existieren können, wären sie in der Lage, mit den düsteren Cousins der Materie zu kollidieren. Hierbei sollen sie nach den gängigen Modellen bei einem Zusammenstoß einander paarweise annihilieren, also auslöschen. Die frei werdende Energie wäre als Gammastrahlung mess- aber eben nicht sichtbar.

Das Problem: Allein in unserer Milchstraße treiben Millionen, wenn nicht Milliarden Quellen von Gammastrahlung ihr (Un)Wesen. Deshalb kommt es beim astronomischen Schnüffeln auf dieser Fährte darauf an, die Massen der in diesem Fall uninteressanten Strahlung von der Gesuchten zu trennen.

Speziell zur Jagd nach Gammastrahlung nutzt die Wissenschaft das Fermi Large Area Telescope (Fermi-LAT). Inzwischen kam hier ein ziemlich erklecklicher Datenhort zusammen, den Forscher auserkohrten. Sie durchwühlten ihn bildlich gesprochen nach den vielleicht schon zufällig aufgefangenen Strahlungsausbrüchen durch eine Karambolage von Dunkler Materie mit WIMPs.

15 Jahre an Daten lagen vor ihnen, um eine bestimmte Region der Milchstraße in den Fokus zu nehmen: ihren Rand. In einen Streifen fernab der intensiven Strahlung der galaktischen Scheibe setzten sie ihre Hoffnung.

Hier sahen sie eine Chance, Zeuge einer eventuellen Interaktion zu werden. Hierzu schlossen sie alle bekannten Emittenten wie Sterne aus, um so Schritt für Schritt fortwährend weniger Komponenten im Datensatz zu haben. Letztendlich sollte das, was übrig bleibt, erklärungsbedürftig sein. Denn eigentlich dürfte es ja nach unseren bisherigen Modellen nicht existieren, wenn alles bisher Bekannte zuvor rausgerechnet wurde.

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Kosmischer Fingerabdruck der Schwärze

Und voilà, es werde Licht – also fast: Sie entdeckten entlang eines Strahlenkranzes in Form eines Halos einen Überschuss. Wie eine Kugel umschließt er den Daten zufolge unsere Galaxie. Im Hinblick auf die Energiemenge trägt ein hier gemessenes Teilchen enorme viel mit sich.

Wobei eine extreme Konzentration bei einem bestimmten Wert vorliegt, was bedeutsam ist – auch wenn es für Laien nach wenig klingt. Stellt es euch wie eine Verteilung vor: Die schwächsten gemessenen Teilchen enthielten 2 GeV, die stärksten 200, aber auffällig viele standen exakt bei 20 GeV.

Wieviel Wumms steckt in 20 GeV? In unserer Alltagswelt können wir wenig mit dieser Maßeinheit anfangen. Deshalb bleiben wir in der Welt kleinster Teilchen. Denn hier zählen sie zu den Giganten, stellen aber für uns keine Gefahr dar.

Ständig treffen sie auf die Erde und erzeugen sogenannte Luftschauer aus sekundären Teilchen. Stellt euch Letzteres wie eine losgetretene Lawine kleinerer Partikel vor, die vom Einschlag eines Energieballs in der Luft ausgelöst hinab zur Erde rollt. Viel mehr zu diesem Thema, wie, weshalb und wo wir dazu forschen, findet ihr in unserem Artikel, in dem uns eine Koryphäe seines Faches durch die Thematik führt.

Ihr wahres Ausmaß zeigt sich allerdings erst, wenn wir berücksichtigen, wie viele Teilchen mit jeweils 20 GeV vom Halo der Galaxis unterwegs sind: Milliarden pro Sekunde über den ganzen Himmel.

Würden wir diese Energiemenge zusammennehmen und sie ins für unsere Augen sichtbare Lichtspektrum rücken, stünden wir vor einem gleißend hellen Universum. Denn die Lichtmenge würde uns regelrecht blenden, da sie die gesamte aktuelle Leuchtkraft der Milchstraße überträfe.

Im Endeffekt nur logisch, denn die Dunkle Materie besitzt nach den Standardmodellen der Physik ein derartiges Übergewicht (siehe Kasten oben), dass nichts an »normaler« Masse oder Energie dagegen ankäme. Alles würde verblassen – buchstäblich.

Diese Verteilung würden wir nach den oben diskutierten Auslöschungsmodellen mit WIMPS erwarten. Uns bekannte astrophysikalische Phänomene wie kosmische Strahlung, Pulsare oder Supernovae weisen eine komplett andere Aufteilung auf: viel im niedrigen Segment und je höher wir die Skala emporklettern, desto weniger Teilchen treffen wir an.

Wir haben hier also keinen Beweis, aber einen deutlichen Hinweis, den wir wie eine Art kosmischen Fingerabdruck der Dunklen Materie in unserer Welt deuten können - quasi wie eine verschmierte, aber entzifferbare Struktur auf einer milchigen Glasscheibe.

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Professor Tomonori Totani, Astronom an der Universität von Tokyo und Autor der Studie

Stand heute, Ende 2025, bleibt uns das Universum aber einen Beweis schuldig. Allerdings lässt sich mit einem gewissen Optimismus festhalten, dass Studien wie diese fundiert versuchen, die Theorie in der Realität zu verankern.

Zuletzt stand derweil ein interstellares Rekordteilchen, welches ins Mittelmeer krachte und dort mit einem irdischen Atomkern kollidierte, für einen möglichen indirekten Nachweis.

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Durchbruch dank besserer Instrumente?

Wie so oft in der Astronomie trennen uns vor allem größere, genauere, sensiblere, leistungsstärkere Instrumente von der Erkenntnis. Immer wieder gelang es uns dank Technik, den bis eben noch gähnenden Abgrund aus Schwärze und schierem Nichts zu überwinden. In solch eine Rolle könnte das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) schlüpfen.

Sobald die derzeit im Bau befindliche Anlage in den kommenden Jahren ihren Betrieb aufnimmt, stehen die Chancen gut, hier erfolgreich anzusetzen. Eventuell schält sich dann aus einem starken Hinweis auf etwas Ungewöhnliches der seit Jahrzehnten ersehnte Beweis für Dunkle Materie heraus.