🔭 Den Mond nutzen, um Dunkle Materie aufzuspüren

Wissenschaftler haben soeben die extrem schwachen Signale simuliert, die von primordialem Wasserstoff während der kosmischen Dunklen Zeitalter ausgesendet wurden – jener Periode, die dem Zünden der ersten Sterne vorausging. Diese fossilen Radiowellen, die von der Erde aus fast nicht nachweisbar sind, könnten dank zukünftiger Mondmissionen die wahre Natur der Dunklen Materie enthüllen.


Ein internationales Team hat Computersimulationen entwickelt, um zu untersuchen, wie die 21-Zentimeter-Radiowellen, die von neutralem Wasserstoff in den ersten 100 Millionen Jahren des Universums ausgesendet wurden, die Eigenschaften der Dunklen Materie verraten könnten. Diese unsichtbare Substanz macht etwa 80% der gesamten kosmischen Materie aus, interagiert aber nicht mit Licht, was ihre direkte Beobachtung extrem schwierig macht. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in Nature Astronomy und zeigten, dass die durchschnittliche Stärke des Radiosignals stark von der Masse der Dunkle-Materie-Teilchen abhängt.

Wenn diese Teilchen sehr leicht sind – weniger als 5% der Masse eines Elektrons – spricht man von "heißer" Dunkler Materie, die die Bildung kleiner kosmischer Strukturen wie Zwerggalaxien verhindert. Im Gegensatz dazu erzeugen schwerere Teilchen eine "kalte" Dunkle Materie, die die Entwicklung von Strukturen im kleinen Maßstab begünstigt. Dieser Unterschied zeigt sich in der Art und Weise, wie sich das Urgas während der Dunklen Zeitalter zusammenhallte.


Die Simulationen zeigen, wie sich das Gas während der Expansion des Universums allmählich abkühlte, während es durch die gravitative Wechselwirkung mit der Dunklen Materie Klumpen bildete. In diesen dichten Regionen wurde das Gas komprimiert und erwärmt, wodurch Temperatur- und Dichteschwankungen entstanden, die ihre Spuren im Radiosignal des Wasserstoffs hinterließen. Das Team modellierte dieses Signal und entdeckte, dass seine durchschnittliche Intensität zwischen den Szenarien für kalte und heiße Dunkle Materie signifikant variiert.

Der Nachweis dieses subtilen Signals erfordert eine außergewöhnlich ruhige Radio-Umgebung, die auf der Erde aufgrund menschlicher Störungen und der Ionosphäre, die niedrige Frequenzen blockiert, unmöglich zu finden ist. Die Rückseite des Mondes bietet dagegen einen idealen Zufluchtsort, der vor irdischen Störungen geschützt ist. Mehrere Nationen entwickeln derzeit Mondmissionen für die Radioastronomie, darunter das japanische Projekt Tsukuyomi, das in den kommenden Jahrzehnten Radioantennen auf unserem natürlichen Satelliten aufstellen will.

Die kosmischen Dunklen Zeitalter

Die kosmischen Dunklen Zeitalter bezeichnen die Periode unmittelbar nach dem Urknall, bevor sich die ersten Sterne und Galaxien bildeten. Während dieser Ära war das Universum mit einem Nebel aus neutralem Wasserstoff gefüllt, der kein sichtbares Licht aussandte – daher der Name Dunkle Zeitalter.

Diese Periode dauerte etwa 100 bis 200 Millionen Jahre nach dem Urknall, während das Universum seine Expansion und Abkühlung fortsetzte. Das Urgas aus Wasserstoff begann gerade erst, sich unter dem Einfluss der Schwerkraft zu organisieren und bildete die ersten Strukturen, die später zu Galaxien werden sollten.

Der neutrale Wasserstoff dieser Zeit strahlte jedoch eine sehr spezifische Radioemission bei 21 Zentimetern Wellenlänge aus, entsprechend dem Übergang zwischen zwei Energieniveaus des Wasserstoffatoms. Dieses fossile Radiosignal stellt unser einziges direktes Beobachtungsfenster zu dieser entscheidenden Periode der kosmischen Geschichte dar.

Die Untersuchung dieser Signale ermöglicht es Astronomen, bis zu den ersten Momenten der Strukturbildung des Universums zurückzublicken, lange vor dem Erscheinen der ersten Lichtquellen.