Teleskope suchen nach Dunkler Materie

Dunkle-Materie-Teilchen könnten Spuren im Gamma-Spektrum hinterlassen

10. Februar 2023

Die Magic-Teleskope auf La Palma sind auf der Jagd nach Dunkler Materie. 233 Beobachtungsstunden lang waren ihre Kameras auf das Zentrum der Milchstraße, unserer Heimatgalaxie, gerichtet. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vermuten dort eine besonders große Ansammlung der nicht leuchtenden, unsichtbaren Materie. Die Suche verlief allerdings ohne Ergebnisse. Auch wenn die Sensation ausgeblieben ist: Die Beobachtungen werden dabei helfen, die Eigenschaften der Dunklen Materie genauer zu charakterisieren – und die zugrundeliegenden theoretischen Modelle zu verfeinern.

Auf den ersten Blick mag es paradox erscheinen, mit Teleskopen nach Dunkler Materie zu suchen. Üblicherweise messen diese Instrumente Licht, zum Beispiel Radiowellen, Infrarotstrahlung oder optisches Licht. Und Dunkle Materie zeichnet sich dadurch aus, dass sie kein Licht aussendet, also nicht leuchtet. Dennoch kann ihre Existenz Spuren in Form von Gammastrahlung hinterlassen – und hier kommen die Magic-Teleskope ins Spiel: Sie weisen so genannte Tscherenkow-Strahlung nach, die entsteht wenn Gammateilchen auf Moleküle der Erdatmosphäre treffen.

Forschende gehen davon aus, dass die Teilchen der Dunklen Materie sehr schwer sind. Wenn sie aufeinandertreffen, könnten energiereiche Strahlung im Gamma-Spektrum produzieren. Diese Spuren würde man mit den Magic-Teleskopen messen können. Die Empfindlichkeit des Magic-Systems für hohe Energien des Lichts ist dabei von entscheidender Bedeutung: Denn die Masse der Teilchen der Dunklen Materie – und damit das Licht, das bei ihren seltenen Wechselwirkungen entsteht – kann durchaus im Bereich dieser Energien liegen.

Mögliches Indiz: Linien im Gammaspektrum

Um mögliche Signale von Kollisionen von Dunkler Materie und bereits bekannten astrophysikalischen Phänomenen unterscheiden zu können, suchten die Astronominnen und Astronomen gezielt nach Gammastrahlen-Linien – Licht, das innerhalb eines speziellen, sehr engen Energiekorridors ausgesendet wird. Wie der menschliche Fingerabdruck sind solche Spektrallinien einzigartig: Sie sind das Indiz für Wechselwirkungen von Teilchen, die viel schwerer sind als die bekannten Elementarteilchen.

Auch wenn die Beobachtungen der Magic-Teleskope keine Spuren von Dunkler Materie entdeckt haben, geben die Messungen wichtige Hinweise. Die fehlende Beobachtung bestimmt die Obergrenze der maximal möglichen Wechselwirkungsstärke zwischen Dunkle-Materie-Teilchen. Diese hängt von der Dichte von Dunkler Materie ab, die man im Zentrum unserer Galaxie erwartet. Daher überprüften Forschenden ihre Daten hinsichtlich verschiedener Vorhersagen. Das das Ergebnis hilft auch dabei, mögliche Eigenschaften Dunkler Materie und den zugrundeliegenden Modellen weiter einzugrenzen.

In Zukunft wird die angewandte Technik eine viel genauere Suche ermöglichen - mit den Magic-Instrumenten und der nächsten Teleskop-Generation. Derzeit entstehen auf der Kanareninsel La Palma unmittelbar neben den Magic-Teleskopen mehrere Large-Size-Teleskope (LST). Diese sind Teil des CTA-Projekts, bei dem in den nächsten Jahren etwa 100 Gamma-Teleskope in Chile und La Palma errichtet werden.

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