{"id":71019,"date":"2023-06-26T14:36:00","date_gmt":"2023-06-26T12:36:00","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=71019"},"modified":"2025-02-20T11:35:52","modified_gmt":"2025-02-20T10:35:52","slug":"das-meiste-ist-unsichtbar","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung-frankfurt\/das-meiste-ist-unsichtbar\/","title":{"rendered":"Das meiste ist unsichtbar"},"content":{"rendered":"

Auf der Spur der Dunklen Materie<\/h4>\n\n\n\n
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Dunkle Materie in Farben: Wenn sie sichtbar w\u00e4re, w\u00fcrde sich Dunkle Materie so in unserem Universum verteilen, wie das Millennium Simulation Project zeigt.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Es gibt sie, die Dunkle Materie. Daran besteht kein Zweifel mehr. Aber woraus besteht sie? Dar\u00fcber gibt es viele Mutma\u00dfungen. Seitdem es m\u00f6glich ist, Gravitationswellen zu messen, hat sich eine spannende neue M\u00f6glichkeit er\u00f6ffnet, die Teilcheneigenschaften von Dunkler Materie zu erforschen.<\/h4>\n\n\n\n
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Als ein schweizerischer Astronom Anfang der 1930er Jahre vorschlug, Dunkle Materie als Erkl\u00e4rung f\u00fcr seine r\u00e4tselhaften Beobachtungen einzuf\u00fchren, konnte er sich in der Fachwelt zun\u00e4chst nicht durchsetzen. Fritz Zwicky hatte bemerkt, dass die Gravitationskraft der sichtbaren Sterne in der Milchstra\u00dfe und in gro\u00dfen Galaxienhaufen nicht ausreicht, um die Gebilde zusammenzuhalten.<\/p>\n\n\n\n

In den 1960er Jahren entdeckte die Astronomin Vera Rubin, dass die Umlaufgeschwindigkeit von Sternen in Galaxienhaufen an den R\u00e4ndern viel schneller ist, als sie es aufgrund der Schwerkraft sein d\u00fcrfte, die von der sichtbaren Materie ausge\u00fcbt wird. Heute ist die Existenz der Dunklen Materie durch die Beobachtung weiterer astrophysikalischer Ph\u00e4nomene gesichert. Und sie macht, zusammen mit der Dunklen Energie, sogar den allergr\u00f6\u00dften Teil der Energiedichte des Universums aus.<\/p>\n\n\n\n

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95 Prozent des Universums sind unbekannt<\/h3>\n\n\n\n

\u00bbDas wissen wir relativ genau aus Beobachtungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und aus der gro\u00dfr\u00e4umigen Struktur im Universum: 95 Prozent des Universums sind unbekannt\u00ab, erl\u00e4utert Laura Sagunski vom Institut f\u00fcr Theoretische Physik. \u00bbDie Dunkle Materie ist etwa f\u00fcnfmal h\u00e4ufiger als die sichtbare Materie, aus der Sterne und Galaxien bestehen.\u00ab Vieles weise darauf hin, dass Dunkle Materie Teilcheneigenschaften haben muss. Das sehe man etwa am Bullet-Cluster, einem Galaxienhaufen im Sternbild des Schiffes. Es handelt sich genau genommen um zwei Haufen, einen gr\u00f6\u00dferen, der von einem kleineren wie von einer Geschosskugel durchquert wird (daher der Name von englisch bullet \u2013 \u00bbKugel\u00ab).<\/p>\n\n\n\n

Interessant ist an diesem Gebilde, dass das leuchtende interstellare Gas der Masseverteilung der Galaxienhaufen hinterherhinkt, wie Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops zeigen. Vermutlich steckt die Dunkle Materie hinter dieser \u00bbVerklumpung\u00ab der Galaxienhaufen im Zentrum. \u00bbDie beiden Galaxienhaufen sind fast kollisionslos durcheinander durchgelaufen. Das k\u00f6nnen wir erkl\u00e4ren, wenn wir annehmen, dass Dunkle Materie Teilcheneigenschaften hat und dass diese Teilchen fast nicht miteinander kollidieren.\u00ab Zwischen den beiden interstellaren Gaswolken gibt es jedoch Zusammenst\u00f6\u00dfe, die sie abbremsen. Deshalb hinkt das Gas den Galaxien hinterher. Sagunski interessiert: Was sind diese Teilchen aus Dunkler Materie? Es k\u00f6nnten zum Beispiel selbstwechselwirkende Dunkle Materie, primordiale \u2013 sehr alte und leichte \u2013 Schwarze L\u00f6cher, MACHOs oder Axionen sein.<\/p>\n\n\n\n

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Machos, Schw\u00e4chlinge und andere Kandidaten<\/h3>\n\n\n\n

Die Abk\u00fcrzung MACHO steht f\u00fcr \u00bbmassereiche, astrophysikalische, kompakte Halo-Objekte\u00ab und bezieht sich auf die Beobachtung, dass diese Objekte mit ihrem ungeheuren Schwerefeld die Raumzeit so verbiegen, dass eine Gravitationslinse f\u00fcr das Sternenlicht entsteht. Dieses wird wie durch eine Linse fokussiert, sodass der Stern vor\u00fcbergehend heller aufleuchtet, wenn er sich in der N\u00e4he eines MACHOs befindet.<\/p>\n\n\n\n

Es k\u00f6nnte aber auch sein, dass sich innerhalb von Neutronensternen Dunkle Materie befindet, oder es gibt kompakte Sterne, die vollst\u00e4ndig aus Dunkler Materie bestehen. Dieser Frage geht Sagunski mit ihrer Gruppe im Forschungscluster ELEMENTS und innerhalb des Sonderforschungsbereichs \u00bbStrong-interaction matter under extreme conditions\u00ab nach. In diesem Cluster, an dem au\u00dfer der Goethe-Universit\u00e4t auch die Universit\u00e4ten in Gie\u00dfen und Darmstadt sowie das GSI Helmholtzzentrum in Darmstadt beteiligt sind, bringen Forscherinnen und Forscher Wissen aus der Kern-, der Teilchen- und der Astrophysik zusammen. Dabei geht es unter anderem um die Frage, wie Neutronensterne aufgebaut sind.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbBisher wissen wir nicht viel \u00fcber die Teilcheneigenschaften von Dunkler Materie, speziell \u00fcber ihre Masse. Die leichtesten w\u00e4ren die Axionen, das sind hypothetische Teilchen, die man eingef\u00fchrt hat, um das Standardmodell der Elementarteilchenphysik zu erweitern. Dann k\u00e4men die WIMPs und dann die primordialen Schwarzen L\u00f6cher\u00ab, so die Physikerin. WIMP steht f\u00fcr \u00bbWeakly interacting massive particles\u00ab, also schwach wechselwirkende, massive Teilchen. \u00bbWimp\u00ab bedeutet aber auch Weichei \u2013 ein Wortspiel, das den Kontrast zu den massereichen \u00bbMachos\u00ab unterstreicht.<\/p>\n\n\n\n

Wenn die Masse an Dunkler Materie gro\u00df genug ist und wenn sich ihre Bewegung \u00e4ndert, sollten die Raumzeit-\u00c4nderungen selbst hier auf der Erde zu messen sein, als Gravitationswellen. Denn Gravitationswellen entstehen immer, wenn Massen beschleunigt werden, \u00e4hnlich der elektromagnetischen Wellen, die von beschleunigten Ladungen in einer Antenne abgestrahlt werden. Allerdings sind Gravitationswellen sehr viel schw\u00e4cher, weshalb man sie wohl nur bei sehr massereichen astrophysikalischen Objekten \u00fcberhaupt messen kann: bei verschmelzenden Schwarzen L\u00f6chern etwa oder Neutronensternen, die einander umkreisen.<\/p>\n\n\n\n

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Signale von L\u00f6chern und Neutronensternen<\/h3>\n\n\n\n

2015 gelang es erstmals mithilfe der LIGODetektoren in den USA, die von Einstein bereits 1916 vorhergesagten Gravitationswellen direkt zu messen. Sie stammten von zwei verschmelzenden Schwarzen L\u00f6chern. Zwei Jahre sp\u00e4ter wurde eine weitere spektakul\u00e4re direkte Messung von Gravitationswellen mithilfe der LIGODetektoren und des Virgo-Detektors bekannt gegeben, die aus der Kollision zweier Neutronensterne resultierte. Laura Sagunski kann sich noch genau an diesen Tag erinnern: \u00bbIch hielt einen Vortrag zu exakt diesem Thema am Max-Planck-Institut f\u00fcr Astrophysik in Garching.\u00ab F\u00fcr Sagunski und ihre Kolleginnen und Kollegen hat sich damit ein Tor zu revolution\u00e4rer neuer Forschung aufgetan. Denn erstmals k\u00f6nnen sie experimentelle Daten von Gravitationswellen dazu nutzen, nach neuen physikalischen Ph\u00e4nomenen zu suchen, die von bisher unbekannten Dunkle-Materie-Teilchen herr\u00fchren. Zwar wei\u00df man bisher noch nicht, woraus Dunkle Materie wirklich besteht, aber die Frankfurter Theoretikerin hat klare Favoriten. Laura Sagunski spricht von den diversen Kandidaten f\u00fcr Dunkle Materie wie von guten Bekannten. Einer ihrer Favoriten sind die Axionen. Sagunski hat erstmalig im Rahmen des Forschungsclusters ELEMENTS Teilcheneigenschaften von Axionen, wie etwa die Masse und die Zerfallskonstante, mit den LIGO-Daten erforscht.<\/p>\n\n\n\n

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Der Bullet Cluster zeigt zwei Gruppen von Galaxien, sogenannte Galaxiehaufen (jeweils blaue und rote Hintergrundf\u00e4rbung). Der kleinere Galaxiehaufen (rechts) hat den gr\u00f6\u00dferen von rechts nach links durchquert. Die gr\u00f6\u00dfte Masse der Galaxiehaufen macht das Gas aus (rot), das die Galaxienhaufen umgibt. Es wurde durch die Kollision abgebremst, w\u00e4hrend die Galaxien wegen ihrer gro\u00dfen Entfernung zueinander unbeschadet geblieben sind. Die Masse der Galaxiehaufen kann auch anhand der Ablenkung des Lichts dahinterliegender Lichtquellen bestimmt werden, dem sogenannten Gravitationslinseneffekt. Dabei zeigt sich, dass die Masse der Haufen haupts\u00e4chlich um die Galaxien herum verteilt ist (blau) und nicht im sichtbaren Gas liegt: ein Effekt der unsicht\u00adbaren Dunklen Materie.<\/p>\n<\/div><\/div>\n\n\n\n

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Fasziniert von dunklen Photonen<\/h3>\n\n\n\n

Bisher wei\u00df man, dass die Teilchen der Dunklen Materie untereinander \u00fcber die Schwerkraft wechselwirken. Aber m\u00f6glicherweise tun sie das auch noch \u00fcber neue, bisher unbekannte Kr\u00e4fte. \u00bbMan br\u00e4uchte dazu ein weiteres Austauschteilchen, das analog zu den Photonen bei der elektromagnetischen Wechselwirkung als dunkles Photon bezeichnet wird\u00ab, sagt Sagunski. Auch das sei zurzeit nur eine Hypothese, aber man sp\u00fcrt, welche Faszination f\u00fcr Sagunski von diesen \u00bbwirklich spannenden \u00ab Objekten ausgeht. Denn die Annahme dunkler Photonen erlaubt Vorhersagen \u00fcber die Wechselwirkungen von Dunkler Materie. Es kann zum Beispiel sein, dass Dunkle Materie nicht wie \u00fcblicherweise angenommen kollisionslos ist, sondern Dunkle-Materie-Teilchen miteinander selbstwechselwirken k\u00f6nnen. Diese Selbstwechselwirkung kann \u00fcber ein dunkles Photon als Austauschteilchen vermittelt werden.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbIch pers\u00f6nlich bin ein Riesenfan der selbstwechselwirkenden Dunklen Materie, weil wir damit zum Beispiel die Rotationskurven von Zwerg-Galaxien viel besser erkl\u00e4ren k\u00f6nnen\u00ab, sagt Sagunski. Die erw\u00e4hnten Rotationskurven stellen die Umlaufgeschwindigkeit der Sterne in Abh\u00e4ngigkeit von ihrer Entfernung vom Zentrum der Galaxie dar. Oft gibt es Diskrepanzen zwischen den beobachteten und berechneten Kurven, wie schon Vera Rubin in den 1960er Jahren aufgefallen war. Bei Zwerggalaxien kann selbstwechselwirkende Dunkle Materie diese Diskrepanzen besser erkl\u00e4ren als kollisionslose Dunkle Materie.<\/p>\n\n\n\n

Zur Untersuchung von selbstwechselwirkender Dunkler Materie mit Gravitationswellen zieht Sagunski supermassive Schwarze L\u00f6cher heran, die zwischen tausend und einer Million Mal schwerer sind als die Sonne. Deren Gravitationskraft ist so stark, dass sich riesige Halos aus Dunkler Materie um sie herum bilden m\u00fcssten. Anders als die Halos aus Licht, die Himmelsk\u00f6rper wie ein Heiligenschein umgeben, w\u00e4ren sie aber unsichtbar.<\/p>\n\n\n\n

Kompakte kleinere Objekte wie Schwarze L\u00f6cher oder Neutronensterne, die das Schwarze Loch umkreisen, verlieren dabei Energie, und zwar umso mehr, je dichter der Halo aus Dunkler Materie ist. \u00bbWir haben uns jetzt gerade angeschaut, ob wir anhand der Gravitationswellen, die so ein System aussendet, auf das Dichteprofil und die Teilcheneigenschaften der Dunklen Materie zur\u00fcckschlie\u00dfen k\u00f6nnen. Und das ist tats\u00e4chlich m\u00f6glich\u00ab, erkl\u00e4rt Sagunski.<\/p>\n\n\n\n

\u00bbWir\u00ab, das ist ihre Gruppe, bestehend aus einem Postdoktoranden, je vier Doktoranden, Master- und Bachelorstudierenden. Die Arbeit im Team ist ihr wichtig: \u00bbIch ziehe einen gro\u00dfen Teil meiner Energie aus der Zusammenarbeit mit den tollen Menschen um mich herum\u00ab, sagt sie. Und sie sch\u00e4tzt eine Umgebung, in der Frauen und M\u00e4nner mit vielf\u00e4ltiger Herkunft und unterschiedlichem Fachwissen zusammenarbeiten. \u00bbDas ist eine der ganz gro\u00dfen St\u00e4rken von ELEMENTS und das macht auch die Projekte f\u00fcr mich besonders.\u00ab<\/p>\n\n\n\n

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So funktioniert die Gravitationslinse: Ein massereicher Galaxiehaufen verformt die Raumzeit (K\u00e4stchenraster) und beugt so das Licht einer entfernten Galaxie.<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Ein Blick in die Zukunft<\/h3>\n\n\n\n

Die experimentellen Daten, mit denen Sagunski die neusten Berechnungen ihrer Gruppe pr\u00fcfen m\u00f6chte, werden noch etwas auf sich warten lassen. Sie sollen Mitte der 2030er Jahre von dem geplanten Weltraum-Laser-Interferometer LISA kommen. Das gemeinsam von den europ\u00e4ischen und amerikanischen Weltraumbeh\u00f6rden ESA und NASA geplante Experiment besteht aus drei Satelliten, die in Form eines Dreiecks mit einer Kantenl\u00e4nge von 2,5 Millionen (!) Kilometern angeordnet sind. Ebenso wie LIGO\/ Virgo wird das Experiment Gravitationswellen messen. W\u00e4hrend die LIGO\/Virgo-Detektoren Signale von verschmelzenden Neutronensternen oder Schwarzen L\u00f6chern bei relativ gro\u00dfen Frequenzen messen, wird der LISA-Dektor aufgrund seiner Gr\u00f6\u00dfe jedoch Signale bei kleineren Frequenzen messen k\u00f6nnen, beispielsweise die von supermassiven Schwarzen L\u00f6chern, die von kompakten Objekten umkreist werden. Damit birgt LISA jede Menge Potenzial f\u00fcr spannende neue Entdeckungen.<\/p>\n\n\n\n

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Der Virgo-Detektor nahe Pisa zeichnete zusammen mit den US-amerikanischen LIGO-Detektoren 2015 erstmals Gravitationswellen zweier kollidierender Neutronensterne auf. (Bild links)<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
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Einstweilen haben Laura Sagunski und ihr Team aber gen\u00fcgend andere Mysterien der Dunklen Materie, die sie im Grenzgebiet zwischen Teilchenphysik, Kosmologie und Gravitationswellenphysik untersuchen k\u00f6nnen. Eine davon ist die M\u00f6glichkeit, die Effekte, f\u00fcr die jetzt die Dunkle Materie herangezogen wird, noch ganz anders zu erkl\u00e4ren. N\u00e4mlich dadurch, dass Einsteins Allgemeine Relativit\u00e4tstheorie noch erweitert oder ver\u00e4ndert werden muss. Auch f\u00fcr diese M\u00f6glichkeit k\u00f6nnen Sagunski und ihr Team den Realit\u00e4tscheck durch den Abgleich mit Daten von Gravitationswellen machen. \u00bbDie infrage kommenden Theorien sind inzwischen stark eingeschr\u00e4nkt, aber definitiv ausschlie\u00dfen k\u00f6nnen wir die M\u00f6glichkeit nicht\u00ab, erl\u00e4utert sie.<\/p>\n\n\n\n

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Zur Person<\/strong>
Prof. Dr. Laura Sagunski promovierte an der Universit\u00e4t Hamburg und am Forschungszentrums DESY in Hamburg. Von 2016 bis 2019 war sie Postdoktorandin an der York University in Toronto and am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada. Nach einem Jahr an der RWTH Aachen nahm sie 2020 den Ruf auf eine Professur f\u00fcr Theoretische Gravitationswellenphysik an der Goethe-Universit\u00e4t an. Sie ist Principle Investigator im Forschungscluster ELEMENTS und dem SFB \u00bbStark wechselwirkende Materie unter extremen Bedingungen\u00ab. 2022 organisierte sie die Online-Konferenz \u00bbWomen in the World of Physics\u00ab, an der mehr als 950 Physikerinnen aus aller Welt teilnahmen.<\/p>\n\n\n\n


sagunski@itp.uni-frankfurt.de<\/a><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Die Autorin<\/strong>: Dr. Anne Hardy, Jahrgang 1965, ist Diplom-Physikerin und promovierte Medizin- und Technikhistorikerin. Sie arbeitet als freie Wissenschaftsjournalistin in Frankfurt.
anne.hardy@t-online.de<\/em><\/p>\n\n\n\n

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