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Wellensimulationen geben neue Einblicke in die Dunkle Materie
Dunkle Materie als Welle: Direkte Computersimulationen ultraleichter Teilchen bilden die gemessenen Positionen von acht Radiobildern eines Linsensystems besser nach als zwei verbreitete Vergleichsansätze. Damit könnte die präzise Vermessung stark gelinster Quasare künftig helfen, die Teilchenmasse solcher Modelle zu testen. Die Studie belegt jedoch nicht, dass Dunkle Materie tatsächlich aus diesen Teilchen besteht.
Hongkong (China). Dunkle Materie verrät sich bislang fast nur durch ihre Schwerkraft. Sie sendet kein Licht aus und macht nach gängiger kosmologischer Bilanz den größten Teil der Materie im Universum aus. Eine mögliche Erklärung sind extrem leichte Teilchen, die sich auf astronomischen Skalen gemeinsam wie ein Wellenfeld verhalten.
Solche Wellen würden in Galaxienhalos ein körniges Muster aus dichteren und dünneren Regionen erzeugen. Besonders empfindlich dafür sind starke Gravitationslinsen, bei denen eine Vordergrundgalaxie das Licht eines weiter entfernten Quasars in mehrere Bilder aufspaltet. Beim System HS 0810+2554 sind zwei kompakte Radioquellen des Quasars jeweils vierfach abgebildet, insgesamt also acht präzise vermessene Radiobilder.
Forscher der Beijing Normal University (BNU) um Dr. Zhengxiang Li haben nun erstmals Linsenbilder direkt aus dreidimensionalen Wellensimulationen der sogenannten Fuzzy Dark Matter berechnet. Statt die feinen Dichteschwankungen nur statistisch nachzuahmen, entwickelten sie die Dunkle-Materie-Welle mit den gekoppelten Schrödinger-Poisson-Gleichungen. Diese beschreiben zugleich die Wellenentwicklung und das von der Masse erzeugte Schwerefeld.
Das Team erzeugte 1.000 dreidimensionale Halo-Realisierungen und untersuchte Teilchenmassen von 10⁻²² und 10⁻²³ Elektronenvolt. Anschließend projizierten die Forscher die simulierten Halos aus verschiedenen Blickrichtungen und berechneten, wo die Bilder der beiden Radioquellen erscheinen müssten. Als Vergleich dienten eine statistische Gaußsche-Zufallsfeld-Näherung und ein glattes Navarro-Frenk-White-Modell (NFW) für einen herkömmlichen Dunkle-Materie-Halo.
Für eine Teilchenmasse von 10⁻²² Elektronenvolt lagen die medianen Positionsabweichungen der vier Bilder bei den beiden Radioquellen bei rund zwölf beziehungsweise sechs Millibogensekunden. Einzelne simulierte Halos kamen bei beiden Quellen auf weniger als rund drei Millibogensekunden und damit in den Bereich der in der Studie angesetzten dreifachen Messunsicherheit.
Damit schnitten die direkt entwickelten Wellenhalos bei den Bildpositionen besser ab als die Vergleichsmodelle. Die Gaußsche Näherung erzeugte im Allgemeinen größere Positionsverschiebungen. Das glatte NFW-Modell lag bei fast allen einzelnen Radiobildern mindestens fünf Standardabweichungen von den Beobachtungen entfernt. Die inneren Endzustände der Wellenhalos wurden dabei nicht gezielt an die beobachteten Bilder angepasst. Für den Vergleich suchte das Verfahren jedoch nach passenden Blickrichtungen des Halos und Quellpositionen.
Wie groß die Abweichungen ausfallen, hängt in den Simulationen deutlich von der angenommenen Teilchenmasse ab. Bei 10⁻²³ Elektronenvolt stieg die mediane Positionsanomalie auf rund 50 Millibogensekunden und war damit etwa viermal so groß wie bei 10⁻²² Elektronenvolt. Hochaufgelöste Linsenbeobachtungen könnten deshalb helfen, solche Massenbereiche einzugrenzen.
Entscheidend ist dabei nicht nur die Stärke einzelner Dichteschwankungen. Die direkte Wellenentwicklung bewahrt auch räumliche Zusammenhänge und die globale Form des simulierten Halos, die eine vereinfachte Zufallsfeld-Näherung nicht vollständig abbildet. Gerade für sehr genaue Positionsmessungen könnte dieser Unterschied wichtig werden.
Die Ergebnisse bleiben dennoch ein Modelltest an einem einzelnen Linsensystem. Die Simulationen bilden einen idealisierten Dunkle-Materie-Halo ab und berücksichtigen baryonische Materie wie Sterne und Gas noch nicht vollständig. Als nächste Schritte nennen die Autoren unter anderem Helligkeitsverhältn