Schwach oder stark: Welche Kräfte übt die Dunkle Materie aus?

Es gibt im Universum nicht genug normale Materie, um damit die beobachteten Gravitationswirkungen der Galaxien erklären zu können. Da es aber darüber hinaus noch keine Hinweise auf die Existenz einer „Dunklen Materie“ gab, lag es nahe anzunehmen, dass sich diese mysteriöse Materieform vorwiegend durch ihre Schwerkraft bemerkbar macht und die anderen physikalischen Grundkräfte größtenteils „ignoriert“. Deshalb erhielten die unbekannten Teilchen, aus denen die Dunkle Materie bestehen soll, auch den Namen WIMP für „Weakly Interacting Massive Particles“ (schwach wechselwirkende massive Teilchen).

„Aber es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass die sichtbare Materie in den Galaxien nicht so verteilt ist, wie es die WIMP-Theorien vorhersagen“, erklärt Benjamin Wandelt. „In den galaktischen Zentren scheint nicht so viel Masse angehäuft zu sein, wie wir es erwarten würden, wenn die Dunkle Materie aus WIMPs bestünde.“ Deshalb haben einige Astronomen Theorien vorgeschlagen, denen zufolge die Teilchen der Dunklen Materie zusätzlich mittels der starken Kernkraft miteinander in Wechselwirkung treten.

„Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass diese mit sich selbst wechselwirkende Dunkle Materie die Beobachtungen sehr viel besser trifft“, sagt Wandelt. „Aber wenn die Teilchen der Dunklen Materie die starke Kernkraft aufeinander ausüben, dann sollte man annehmen, dass sie mittels der starken Kernkraft auch auf die normale Materie einwirken.“

Wandelt und seine Kollegen haben nun zwei mögliche Auswirkungen dieser Wechselwirkung untersucht. Zum einen untersuchten sie, welche Konsequenzen solche Teilchen auf die Bildung der ersten Atomkerne einige Zeit nach dem Urknall gehabt hätten. Zwar fanden sie heraus, dass durch die Wechselwirkung mit diesen Teilchen ein kleiner Teil der ersten Atomkerne zerstört worden wäre. Aber durch die ebenfalls vorhandenen Photonen wurde ein sehr viel größerer Teil der Atomkerne zerstört, so dass die Auswirkungen der Dunklen-Materie-Teilchen hierbei vernachlässigbar sind.

Anders sah das Ergebnis aber aus, als die Forscher die Auswirkungen von stark wechselwirkenden Teilchen auf die Produktion von Gammastrahlung untersuchten. Diese Gammastrahlung entsteht, wenn kosmische Strahlung auf normale Materie trifft. Wenn aber die Dunkle Materie die starke Kernkraft „spürt“, dann sollte auch beim Auftreffen kosmischer Strahlung auf die Dunkle Materie Gammastrahlung entstehen.

„Mit stark wechselwirkender Dunkler Materie müsste die Produktion von Gammastrahlung hundertmal so groß sein, wie wir es tatsächlich beobachten“, sagt Brian Fields. „Das sagt uns, dass es entweder keine stark wechselwirkende Dunkle Materie gibt oder dass die Stärke der Wechselwirkung energieabhängig ist.“