Scheibe aus dunkler Materie in unserer Galaxie

Forscher der Universität Zürich sagen die Existenz einer Scheibe aus dunkler Materie in unserer Galaxie, der Milchstrasse, voraus. Wie die Astronomen in «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society» berichten, könnte dies zum ersten Mal ermöglichen, dunkle Materie nachzuweisen und deren Beschaffenheit zu klären.

Anders als die bekannte, «gewöhnliche» Materie, aus der Gas und Sterne bestehen, ist die dunkle Materie unsichtbar. Ihre Anwesenheit kann nur durch ihren Gravitationseinfluss auf die Umwelt nachgewiesen werden. Physiker glauben, dass sie 22 Prozent der Materie im Universum ausmacht verglichen mit 4 Prozent gewöhnlicher Materie und 74 Prozent der so genannten dunklen Energie. Trotz ihres omnipräsenten Einflusses weiss niemand, woraus dunkle Materie genau besteht.

Bisher dachte man, dass dunkle Materie annähernd kugelförmige Klumpen, so genannte Halos bildet, von denen eines unsere Galaxie umgibt. Diese Standardtheorie basiert auf Supercomputer-simulationen, die nur die Gravitationseinflüsse der dunklen Materie modellieren. Im Gegensatz dazu haben Dr. Justin Read, Prof. George Lake, Oscar Agertz, alle von der Universität Zürich, und Dr. Victor Debattista von der Universität Central Lancashire bei ihrer Arbeit auch die Einflüsse der Gravitationskraft der Sterne und des Gases berücksichtigt, die ebenfalls unsere Milchstrasse bevölkern.

Angenommen wird, dass Sterne und Gas schon frühzeitig eine Scheibe bilden, die dann die Entstehung kleinerer Halos aus dunkler Materie beeinflussen. Die Ergebnisse des Forschungsteams deuten darauf hin, dass die meisten Klumpen dunkler Materie in unserer Umgebung zum Halo um unsere Milchstrasse verschmelzen. Die grössten von ihnen werden bevorzugt von der galaktischen Scheibe angezogen und dort auseinander gerissen, wo sie eine Scheibe aus dunkler Materie in unserer Galaxie formen.

Geringere Dichte
«Die dunkle Scheibe hat ungefähr eine halb so grosse Dichte wie das dunkle Halo. Daher wurde sie bisher nicht entdeckt», sagt Hauptautor Justin Read. «Trotz ihrer geringen Dichte hat sie jedoch wegen ihrer eigenen Rotation einschneidende Auswirkungen auf die Detektion von dunkler Materie hier auf der Erde.»

Erde und Sonne bewegen sich mit ca. 220 km/h auf einer fast kreisförmigen Umlaufbahn um das Zentrum unserer Galaxie. Da das dunkle Halo nicht rotiert, ist es für uns auf der Erde so, als ob wir einen Wind dunkler Materie spüren, der mit grosser Geschwindigkeit auf uns zu fliegt. Im Gegensatz dazu ist der Wind der dunklen Scheibe sehr viel geringer, da die Scheibe quasi mit der Erde zusammen rotiert.

«Es ist als sässe man in einem Wagen auf der Autobahn», sagt Teammitglied Dr. Victor Debattista von der Universität Central Lancashire. «Es fühlt sich an, als ob alle anderen Autos stillstehen würden, weil sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen.»

XENON-Detektionsexperiment
Diese Fülle von langsamer, dunkler Materie-Teilchen könnte sich für die Forscher als wahrer Segen erweisen, da sie eine viel grössere Resonanz bei Detektoren von dunkler Materie hervorruft. «Heutige Detektoren können diese langsamen Teilchen noch nicht vom Hintergrundrauschen unterscheiden», erklärt Prof. Laura Baudis von der Universität Zürich. Sie ist eine führende Forscherin des XENON-Detektionsexperimentes im unterirdischen Labor Gran Sasso in Italien, mit dem dunkle Materie nachgewiesen werden soll. «Der XENON100-Detektor dagegen, den wir gerade in Betrieb nehmen, ist sehr viel empfindlicher. Er wird in der Lage sein, die meisten gängigen Teilchenkandidaten der dunklen Materie zu detektieren, wenn es sie gibt.»

Diese neuen Forschungsergebnisse schüren die aufregende Erwartung, dass die dunkle Scheibe – und damit dunkle Materie – in näherer Zukunft entdeckt werden können.