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Wo Licht ist, ist auch viel dunkle Materie

09.08.2012
Astronomen der Universität Zürich und der ETH Zürich haben gemeinsam mit internationalen Forschenden die Menge der Materie in Sonnennähe gemessen und dabei einen grossen Anteil an unsichtbarer dunkler Materie nachgewiesen.

Ihre Ergebnisse stimmen mit der bisherigen Theorie überein, wonach unsere Galaxie von einem massiven Halo von dunkler Materie umgeben ist. Als Erste haben sie eine Methode angewendet, die sie konsequent anhand von Simulationen getestet haben.


Die Simulation der Milchstrasse in hoher Auflösung wurde als Test für die neue Massen-Messtechnik verwendet.
Bild UZH


Sollte die dunkle Materie aus einem Elementarteilchen bestehen, ist die genaue Messung ihrer lokalen Dichte zentral.

Der Astronom Fritz Zwicky entdeckte in den 30-er Jahren die dunkle Materie und stellte fest, dass Galaxienhaufen mit einer unsichtbaren Substanz gefüllt sind. Eine weitere Entdeckung zur selben Zeit enthüllte, dass die Materiedichte im Umfeld der Sonne fast doppelt so viel beträgt, wie durch Sternenmassen und sichtbarem Gas allein erklärt werden kann.

Trotz jahrzehntelanger Forschung blieb die Menge der dunklen Materie nahe der Sonne schleierhaft. Verschiedene Messungen ergaben zwischen drei- und sechsmal so viel dunkle Materie wie erwartet. Dann wurde letztes Jahr anhand neuer Daten und einer neuen Methode plötzlich weit weniger dunkle Materie detektiert. Dieses überraschende Resultat sorgte weltweit für Verwirrung, wobei es die Astronomen letztlich den zu wenig genauen Simulationsmethoden und Analysen zuschrieben.

Simulation der Milchstrasse als Test
Nun hat ein internationales Team, unter der Leitung von UZH Forschenden und mit Beteiligung der ETH Zürich, einen neuen Weg eingeschlagen. Die Forschenden simulierten die Milchstrasse in Hochauflösung und testeten somit ihr Vorgehen zur Messung der dunklen Materie, bevor sie dieses auf reale Daten anwendeten. Dies führte zu einigen Überraschungen: Sie bemerkten, dass mit den Standardtechniken der letzten zwanzig Jahre zu tiefe Werte der Dichte von dunkler Materie berechnet worden sind. Darauf basierend entwickelten die Forschenden eine neue Technik, um den korrekten Wert für die Simulation zu erhalten. Angewandt auf die Positionen und Geschwindigkeiten von mehr als 2000 K-Zwergsternen in Sonnennähe, schätzen die Forschenden die lokale Dichte von dunkler Materie neu ein.
Beweis für dunkle Materie in Sonnennähe
«Wir sind zu 99 Prozent sicher, dass es dunkle Materie in Sonnennähe gibt. Mit 90-prozentiger Sicherheit finden wir sogar mehr dunkle Materie als erwartet», sagt Hauptautorin Silvia Garbari. Bestätigen zukünftige Daten diesen hohen Wert, könnte das den ersten Beweis für eine Scheibe aus dunkler Materie liefern, die kürzlich von numerischen Simulationen der Galaxienentstehung vorhergesagt wurde, folgert die UZH-Forscherin. Und sie ergänzt: «Es könnte auch bedeuten, dass der Halo aus dunkler Materie deformiert ist, sodass der Wert für die lokale Dichte in die Höhe getrieben wird.»

Viele Physiker gehen davon aus, dass dunkle Materie aus einem neuen Elementarteilchen besteht, das nur sehr schwach mit normaler Materie wechselwirkt. Würde das zutreffen, dann müsste es möglich sein, dieses Teilchen in Experimenten zu detektieren. Die genaue Messung der lokalen Dichte von dunkler Materie ist für solche Versuche unerlässlich. Dazu Koautor George Lake, Professor für Theoretische Physik an der Universität Zürich: «Experimentalphysiker hoffen, einen winzigen Teil dieser Teilchen in Versuchen wie beispielsweise mit dem XENON-Detektor einzufangen. Kenntnis über die lokalen Eigenschaften von dunkler Materie ist zentral, um die Ergebnisse zur Bestimmung der Teilchenart zu verwenden.»

Literatur:
Silvia Garbari, Chao Liu, Justin I. Read, George Lake. A new determination of the local dark matter density from the kinematics of K dwarfs. Monthly Notice of the Royal Astronomical Society. 9 August, 2012. 2012arXiv1206.0015G.
Kontakt:
Silvia Garbari
Institut für Theoretische Physik
Universität Zürich
Tel. +41 76 211 05 12
E-Mail: silvia@physik.uzh.ch
Prof. Justin Read
Tel. +41 76 200 53 94
Institut für Astronomie
ETH Zürich
E-Mail: justin.read@phys.ethz.ch

Nathalie Huber | Universität Zürich
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

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