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Dunkle Materie scheint bei Kollisionen Bewegungsenergie zu verlieren
Kosmischer Zusammenstoß: Im fernen Galaxienhaufen El Gordo stimmen die Positionen von heißem Gas und Dunkler Materie nur schwer mit einfachen Modellen überein. Neue Simulationen zeigen, dass Zusammenstöße zwischen Dunkle-Materie-Teilchen mit einem Wechsel ihres inneren Zustands mehrere dieser Auffälligkeiten erklären könnten. Allerdings bleiben wichtige Messwerte unsicher und die Modelle haben noch Schwächen.
Triest (Italien). Dunkle Materie verrät sich vor allem durch ihre Schwerkraft. Ob ihre mutmaßlichen Teilchen zusätzlich miteinander zusammenstoßen können, ist bislang offen. Das kosmologische Standardmodell behandelt sie weitgehend als kollisionslos. Doch einige Beobachtungen passen nicht ohne Weiteres zu den einfachsten Modellvarianten.
Ein besonderer Prüfstein ist El Gordo, ein rund sieben Milliarden Lichtjahre entfernter Galaxienhaufen. Er besteht aus zwei riesigen Teilhaufen, die mit mehreren Tausend Kilometern pro Sekunde aufeinanderprallen. Messungen zeigen auffällige Verschiebungen zwischen der unsichtbaren Masse, den Galaxien und dem heißen, Röntgenstrahlung aussendenden Gas.
Der Astrophysiker Riccardo Valdarnini von der Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) hat nun untersucht, ob solche Verschiebungen auf direkte Wechselwirkungen Dunkler Materie hindeuten. Er verglich dazu zahlreiche Computersimulationen mit der beobachteten Massenverteilung, der Röntgenstrahlung und den Bewegungen im Galaxienhaufen.
In klassischen Modellen passieren Dunkle-Materie-Teilchen einander praktisch ungehindert. Eine mögliche Alternative erlaubt elastische Zusammenstöße, bei denen sich ihre Bewegungen ändern, ohne dass Energie in eine innere Anregung der Teilchen übergeht. Doch bei El Gordo erklären solche Modelle nicht alle beobachteten Details zugleich.
Deshalb modellierte Valdarnini eine zweite Möglichkeit: Dunkle Materie kann zwei unterschiedliche innere Zustände besitzen. Bei bestimmten Kollisionen geht ein Teil der Bewegungsenergie in eine Anregung der Teilchen über. Solche unelastischen, energieaufnehmenden Stöße verändern die Massenverteilung und damit auch das erwartete Gravitationslinsensignal.
„Die Simulationen zeigen, dass sich die beobachteten Eigenschaften von El Gordo durch die Einführung eines Dunkle-Materie-Modells mit zwei Zuständen besonders gut reproduzieren lassen. In diesem Szenario können Teilchen sowohl elastisch als auch unelastisch miteinander zusammenstoßen, wobei ein Teil ihrer Energie übertragen wird und das Teilchen dadurch seinen Zustand verändert“, erklärt Riccardo Valdarnini.
Seine Berechnungen reproduzieren unter geeigneten Annahmen die ungewöhnliche Lage des hellen Röntgenmaximums gegenüber dem Schwerpunkt der Dunklen Materie. Auch der geringe Geschwindigkeitsunterschied entlang unserer Sichtlinie und die aus dem Gravitationslinseneffekt abgeleitete Massenverteilung passen besser als bei den verglichenen einfacheren Modellen.
„Insbesondere liegt das hellste Maximum der Röntgenstrahlung eines der Teilhaufen vor dem zugehörigen Schwerpunkt der Dunklen Materie. Die relative Geschwindigkeit der beiden Teilhaufen entlang unserer Sichtlinie ist außerdem deutlich geringer, als dynamische Abschätzungen erwarten lassen“, erläutert Riccardo Valdarnini.
Der Gravitationslinseneffekt macht solche Vergleiche möglich: Die Schwerkraft des Haufens verzerrt das Licht weiter entfernter Galaxien. Aus diesen Verzerrungen lässt sich abschätzen, wo sich wie viel Masse befindet, auch wenn diese selbst kein Licht aussendet.