🌀 Gehorcht dunkle Materie einer unbekannten fünften Kraft?

Gehorcht dunkle Materie denselben Gesetzen wie gewöhnliche Materie? Das Rätsel um diese unsichtbare und hypothetische Komponente unseres Universums, die weder Licht aussendet noch reflektiert, bleibt ungelöst.

Ein Forschungsteam unter der Leitung der Universität Genf (UNIGE) wollte herausfinden, ob diese Materie auf kosmologischer Ebene genauso fällt wie gewöhnliche Materie oder ob andere Kräfte im Spiel sind. Die Ergebnisse, veröffentlicht in Nature Communications, deuten auf ein ähnliches Verhalten hin, lassen aber die Möglichkeit einer noch unbekannten Wechselwirkung offen. Dieser Fortschritt erhellt die Eigenschaften dieser schwer fassbaren Materie, die fünfmal häufiger ist als gewöhnliche Materie, etwas besser.

Gewöhnliche Materie gehorcht vier bekannten Kräften: der Gravitation, dem Elektromagnetismus, der starken und der schwachen Wechselwirkung, wobei die beiden letzteren auf atomarer Ebene wirken. Aber wie verhält es sich mit der dunklen Materie? Unsichtbar und schwer fassbar, könnte sie denselben Gesetzen unterliegen oder auf eine noch unbekannte fünfte Kraft zurückgehen.

Um dieses Rätsel zu lösen, hat sich ein Team unter der Leitung der UNIGE gefragt, ob diese Materie auf der Ebene des Kosmos auf die gleiche Weise wie gewöhnliche Materie in Gravitationssenken „fällt“. Unter dem Einfluss der Gravitation von Himmelskörpern verformt sich der Raum, den unser Universum einnimmt, und erzeugt „Senken“. Gewöhnliche Materie – hier Planeten, Sterne oder Galaxien – fällt nach bekannten physikalischen Gesetzen hinein, wie der berühmten allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins oder den Euler-Gleichungen. Aber wie ist es mit der dunklen Materie?

„Um diese Frage zu beantworten, haben wir die Geschwindigkeiten, mit denen sich Galaxien im Universum bewegen, mit der Tiefe der Gravitationssenken verglichen“, erklärt Camille Bonvin, außerordentliche Professorin am Departement für Theoretische Physik der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE und Mitautorin der Studie.

„Wenn dunkle Materie nicht einer fünften Kraft unterliegt, dann werden Galaxien – die hauptsächlich aus dunkler Materie bestehen – wie gewöhnliche Materie, die nur der Gravitation unterliegt, in die Senken fallen. Wenn es jedoch eine fünfte Kraft gibt, die auf dunkle Materie wirkt, wird sie die Bewegung der Galaxien beeinflussen, die dann auf andere Weise in die Senken fallen. Durch den Vergleich der Tiefe der Senken mit der Geschwindigkeit der Galaxien können wir also das Vorhandensein einer solchen Kraft testen.“

Die Euler-Gleichungen gelten weiterhin

Durch die Anwendung dieses Ansatzes auf aktuelle kosmologische Daten kam das Forschungsteam zu dem Schluss, dass dunkle Materie auf die gleiche Weise in Gravitationssenken fällt wie gewöhnliche Materie. Und dass sie somit den Euler-Gleichungen folgt.

„Zu diesem Zeitpunkt erlauben uns diese Schlussfolgerungen jedoch noch nicht, das Vorhandensein einer unbekannten Kraft auszuschließen. Aber wenn diese fünfte Kraft existiert, kann sie nicht größer als 7 % der Gravitationskraft sein, denn in diesem Fall hätte sie in unseren Analysen auftauchen müssen“, erklärt Nastassia Grimm, Erstautorin der Studie und ehemalige Postdoktorandin am Departement für Theoretische Physik der Fakultät für Naturwissenschaften der UNIGE, die kürzlich ans Institute of Cosmology and Gravitation der Universität Portsmouth gewechselt ist.

Diese ersten Ergebnisse markieren einen großen Fortschritt bei der Charakterisierung der rätselhaften dunklen Materie. Der nächste Schritt wird darin bestehen, die Existenz einer sie bestimmenden fünften Kraft genauer zu klären.

„Die zukünftigen Daten aus den neuesten Experimenten wie LSST und DESI werden auf eine Kraft empfindlich sein, die nur 2 % der Gravitation entspricht. Sie sollten es uns daher ermöglichen, noch mehr über das Verhalten der dunklen Materie zu erfahren“, schließt Isaac Tutusaus, Forscher am ICE-CSIC und IEEC, außerordentlicher Professor am IRAP, Observatoire Midi-Pyrénées, Universität Toulouse, und Mitautor der Studie.