Studie legt nahe: Neues Gammastrahlensignal könnte erster direkter Hinweis auf Dunkle Materie sein

Ein seltsames Signal taucht aus der Milchstraße auf

Das galaktische Zentrum ist normalerweise der letzte Ort, an dem Astronomen nach subtiler Physik suchen. Es ist ein strahlender Knoten aus toten Sternen, heißem Gas und verrauschter Strahlung – eine Region, in der die meisten feinen Signale im Hintergrundchaos verschwinden. Als also ein gleichmäßiger, haloartiger Schein von 20-GeV-Gammastrahlen in einer neuen Analyse von Satellitendaten auftauchte, stach er sofort hervor.

Die Signatur stammt aus mehr als einem Jahrzehnt an Beobachtungen durch das Fermi Gamma-ray Space Telescope der NASA. Nach Berücksichtigung bekannter Quellen – Pulsare, Supernova-Überreste, Wechselwirkungen mit kosmischer Strahlung und das blendende Band der galaktischen Ebene – weigerte sich eine Komponente zu verschwinden. Und unangenehmerweise für alle Beteiligten sieht sie bemerkenswert so aus, wie es Modelle der Dunklen Materie seit Jahren vorhergesagt haben.

Ein jahrhundertealtes Rätsel mit einer neuen Spur

Die Idee der Dunklen Materie reicht bis in das frühe 20. Jahrhundert zurück, als Astronomen erkannten, dass Galaxien weitaus schneller rotieren, als es ihre sichtbare Masse zuließ. Etwas Unsichtbares – und deutlich Schwereres – lieferte die fehlende Gravitation. Nachfolgende Jahrzehnte stärkten diese Annahme: Gravitationslinseneffekte, die Dynamik von Galaxienhaufen, Karten der kosmischen Hintergrundstrahlung und Simulationen großräumiger Strukturen deuten alle auf denselben Schluss hin.

Bisher war jedoch jeder dieser Beweise gravitativer Natur. Niemand hat jemals beobachtet, dass Dunkle Materie auf andere Weise interagiert. Deshalb wäre eine nicht-gravitative Signatur – insbesondere in Gammastrahlen – transformativ.

Ein 20-GeV-Halo, zu sauber, um ignoriert zu werden

Das neue Ergebnis stammt von Tomonori Totani, der Fermi-Daten analysierte, die sich über etwa hundert Grad um das Zentrum der Milchstraße erstrecken. Seine Methode war konservativ: Vordergründe abziehen, bekannte Prozesse modellieren und sehen, was übrig bleibt.

Was übrig blieb, war ein breites, symmetrisches Leuchten hochenergetischer Photonen, das seinen Höhepunkt bei etwa 20 Gigaelektronenvolt erreichte – genau dort, wo viele Modelle der Dunklen Materie Emissionen durch die Annihilation von schwach wechselwirkenden massiven Teilchen (WIMPs) vorhersagen.

Das räumliche Muster spielt eine entscheidende Rolle. Dieses Leuchten spiegelt die erwartete Form des Halos aus Dunkler Materie unserer Galaxie wider: gleichmäßig, auf das Zentrum fokussiert und weit über Regionen hinausreichend, die von gewöhnlichen astrophysikalischen Quellen dominiert werden. Pulsare erzeugen diese Geometrie nicht. Gas-Wechselwirkungen breiten sich nicht so weit aus. Supernova-Überreste sind nicht so ordentlich.

Es ist mit anderen Worten ein Muster, das nicht vorhanden sein sollte, sofern nicht etwas Ungewöhnliches geschieht.

Ein Teilchen, das ein wenig zu gut zu den Modellen passt

Das Energiespektrum ist das, was das Ergebnis von „interessant“ zu „schwer von der Hand zu weisen“ befördert hat. Die beobachteten Photonen stimmen eng mit Spektren überein, die entstehen, wenn hypothetische WIMPs mit Massen von etwa dem 500-fachen eines Protons in bekannte Teilchen wie Bottom-Quarks oder W-Bosonen annihilieren.

Selbst die geschätzte Annihilationsrate – abgeleitet aus der Helligkeit des Halos – liegt bequem innerhalb der theoretischen Vorhersagen, die das Fachgebiet seit Jahren leiten.

Diese Konsistenz beweist für sich genommen nichts, aber sie schränkt die Möglichkeiten ein. Bekannte astrophysikalische Prozesse haben Schwierigkeiten, dieselbe Kombination aus Form, Energiespitze und Intensität zu reproduzieren.

Warum noch immer Vorsicht dominiert

Die Forschung zur Dunklen Materie hat ihren Anteil an Begeisterung gefolgt von Enttäuschung erlebt. Scheinbar vielversprechende Signale – aus dem galaktischen Zentrum, von Zwerggalaxien oder aus Teilchendetektoren – sind unter Reanalysen, verbesserten Modellierungen oder besseren Daten dahingeschmolzen. Dieser Fall könnte ein weiterer sein.

Totani betont, dass die Interpretation unabhängig überprüft werden muss. Alternative Vordergrundmodelle könnten das Leuchten erklären. Instrumentelle Effekte müssen ausgeschlossen werden. Selbst wenn das Signal diese Filter übersteht, werden Forscher ähnliche Umgebungen untersuchen wollen, in denen gewöhnliche Gammastrahlenquellen selten sind.

Das deutet auf Zwerggalaxien hin, die die Milchstraße umkreisen – von Dunkler Materie dominierte Systeme mit minimalem astrophysikalischem Störrauschen. Wenn sie einen passenden 20-GeV-Fingerabdruck aussenden, würde sich der Fall erheblich erhärten.

Ein Durchbruch oder der Beginn einer präziseren Suche

Sollte der Halo tatsächlich durch die Annihilation Dunkler Materie entstehen, wäre dies der erste Nachweis eines Teilchens außerhalb des Standardmodells der Physik und die wichtigste kosmologische Entdeckung seit Jahrzehnten.

Sollte es sich als ein ungeklärtes astrophysikalisches Phänomen herausstellen, wird es dennoch Modelle verfeinern und zukünftige Untersuchungen schärfen. Beide Ergebnisse bringen das Fachgebiet voran.

Vorerst verharrt der Gammastrahlen-Halo in dem unbequemen Raum zwischen Faszination und Gewissheit – überzeugend genug, um Forscher zu motivieren, aber vage genug, um Zurückhaltung zu gebieten. Doch nach einem Jahrhundert der Jagd auf eine unsichtbare Masse reicht selbst ein vorläufiger Hinweis aus, damit sich die Suche wieder lebendig anfühlt.