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  Aktuelle Forschung :: Dezember 2003 Zur Übersicht

Können wir die dunkle Materie sehen?

Unsere Milchstraße ist, wie die meisten anderen Spiralgalaxien auch, von einem ausgedehnten Halo unsichtbarer dunkler Materie umgeben. Der Halo ist mindestens zehnmal größer und zehnmal schwerer als Teil den wir sehen können. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Astrophysik haben Supercomputersimulationen der Entwicklung eines solchen Halos durchgeführt um die zu erwartende Struktur zu verstehen. Wenn die dunkle Materie aus Neutralinos besteht, dann könnte Gammastrahlung die bei deren Selbstannihilation entsteht mit Gammastrahlenteleskopen der nächsten Generation beobachtet werden. Die Astrophysiker fanden heraus, dass das geplante Teleskop GLAST gute Möglichkeiten besitzt diese Strahlung zu entdecken und damit die Natur der dunklen Materie zu enthüllen.

Abb. 1: Verteilung der Materiedichte des simulierten Milchstraßenhalos in logarithmischer Farbskala. Eine Bildkante entspricht einer Länge von 600000 Lichtjahren. Falls zukünftige Teleskope die Annihilationsstrahlung nachweisen, dann wahrscheinlich aus einer Region im Zentrum der Galaxie die nur einige Prozent der Größe des hier gezeigten Bildes hat.

Der Film zeigt einen Flug um und durch den simulierten Milchstraßenhalo: linkPfeilExtern.gif Dunkler Materie Halo der Milchstraße, 2.7 MB, DivX-Format

(Zum Abspielen der Filme unter Windows benötigen Sie den DivX5-Codec, kostenlos erhältlich bei linkPfeilExtern.gif www.divx.com. . Unter Linux können Sie z.B. mplayer oder xine benutzen.)

Abb. 2: Illustration von GLAST (obere Abbildung) und VERITAS (untere Abbildung) die beide Gammastrahlenteleskope der nächsten Generation sind. (Copyright: GLAST, VERITAS Teams)

Abb. 3: Diese Abbildung erläutert die Nachweisbarkeit verschiedener sypersymmetrischer Modelle. Jeder Punkt steht fuer ein mögliches Modell zu dem eine bestimmte Masse und eine bestimmter Wirkungsquerschnitt gehören. Die Linien sind die Messgrenzen für typische Beobachtungszeiträume von GLAST und VERITAS. Punkte die oberhalb der Linien liegen stehen für Modelle die nachgewiesen werden können.
Die unterste durchgezogene Linie entspricht einer Beobachtung des galaktischen Zentrums mit GLAST. Die gestrichelte Linie darüber entspricht einer Beobachtung einer der Zwerggalaxien der Milchstrasse, etwa der Grossen Magellanschen Wolke. Während GLAST viele supersymmetrische Modelle nachweisen kann, produzieren nur sehr wenige Modelle genug Gammastrahlung um einen Nachweis mit VERITAS zu erlauben.

1933 untersuchte der schweizer Astronom Fritz Zwicky die Geschwindigkeiten von Galaxien in Galaxienhaufen und fand ein überraschendes Ergebnis: Die Masse der beobachteten Galaxien war viel zu gering um ihre Bewegungen in dem Galaxienhaufen zu erklären. Er schloss daraus, dass Galaxienhaufen neben den Galaxien noch aus weiterer, "dunkler" Materie bestehen.

Heute wissen wir dass etwa 90% der Gesamtmasse im Universum nicht nur dunkel ist - das heißt sie sendet kein Licht aus - sondern dass sie außerdem aus einer mysteriösen noch unbekannten Teilchenart bestehen muss. Das Geheimnis der Natur der dunklen Matiere im Universum zu lüften ist eine der größten Herausforderungen der heutigen Kosmologie.

Einer der besten Teilchenkandidaten für die dunkle Materie ist ein Teilchen, das Neutralino genannt wird. Dieses Teilchen tritt auf natürliche Weise in Theorien auf, die das Standardmodell der Teilchenphysik erweitern. Diese supersymmetrischen Theorien führen eine neue Symmetrie ein - die Supersymmetrie -, die jedem Boson ein neues supersymmetrisches Fermion zuordnet, und umgekehrt. Bisher wurde noch keines der neuen Teilchen entdeckt. Es wird angenommen dass diese Teilchen zu große Energien besitzen als dass sie mit heutigen Teilchenbeschleunigern nachgewiesen werden könnten.

Die Neutralinos könnten jedoch mit sich selbst annihilieren wenn sie in dichten Regionen des Universums aufeinandertreffen und neben weiteren Teilchen auch hochenergetische Gammastrahlung produzieren. Die Idee ist nun zu versuchen diese Gammastrahlung nachzuweisen und so schliesslich die Natur des Teilchens der dunklen Materie und seine Masse zu bestimmen. Die Stärke der Annihilation der dunklen Materie hängt sehr stark von der Dichte der dunklen Matreie und damit von der genauen Struktur der Halos die unsere und andere Galaxien umgeben ab. Das Hauptaugenmerk für den Nachweis liegt dabei auf unserer Milchstraße, vorallem da ihr Zentrum "nur" etwa 26000 Lichtjahre entfernt ist.

Die Wissenschaftlergruppe am MPA hat große Supercomputer des Garchinger Rechenzentrums der Max-Planck-Gesellschaft verwendet um die Entstehung eines Halos aus dunkler Materie ähnlich zu unserem eigenen mit bis jetzt unerreichter Auflösung zu simulieren (Abb 1). Sie haben für unterschiedliche Parameter der supersymmetrischen Theorie die erwartete Stärke der Gammastrahlung berechnet und diese mit den Nachweisgrenzen zweier Gammastrahlenteleskope der nächsten Generation verglichen. Eines dieser Teleskope ist ein Satellit (Abb 2. obere Illustration: The Gamma Ray Large Area Space Telescope GLAST) das andere ein erdgebundenes Teleskop (Abb 2. untere Illustration: Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System VERITAS).

Sie fanden heraus, dass, mittels einer neuen Nachweisstrategie die nach Gammastrahlung aus einem grossen Bereich zehn oder zwanzig Grad vom galaktischen Zentrum entfernt sucht, GLAST eine gute Chance haben wird die Gammastrahlen zu entdecken (Abb 3). Wir könnten endlich in der Lage sein die dunkle Materie zu "sehen" und ihre immer noch mysteriöse Natur zu enthüllen.

Felix Stoehr, Simon D. M. White, Volker Springel und Giuseppe Tormen


Further reading:
F. Stoehr, S. D. M. White, V. Springel and G. Tormen
"Dark Matter Annihilation in the Halo of the Milky Way",
MNRAS, volume 345, page 1313


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Letzte Änderung: 28.11.2003