Forschungsbericht 2023 - Max-Planck-Institut für Astrophysik
Wie „unscharf“ darf dunkle Materie sein? - Eine Gravitationslinse gibt die Antwort
How "fuzzy" can dark matter be? A gravitational lens provides the answer
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Nach dem kosmologischen Standardmodell machen 85 Prozent der Materie im Universum die sogenannte "dunkle Materie" aus. Eine Vielzahl von Beobachtungen stützt die Existenz der dunklen Materie; ihre physikalische Natur ist jedoch bis heute unbekannt.
Auf der Suche nach der Natur der dunklen Materie sind bereits viele verschiedene theoretische Modelle vorgeschlagen worden. Die meisten davon nehmen eine neue Art fundamentaler Teilchen an, die nur über die Schwerkraft mit gewöhnlicher Materie in Wechselwirkung treten. Laut den Vorhersagen beeinflussen Teilchen mit unterschiedlichen Massen die kleinräumige Verteilung der dunklen Materie auf galaktischen Skalen. So würde eine kalte dunkle Materie (CDM) bestehend aus einem sehr massereichen Teilchen viele kompakte, massearme Klumpen dunkler Materie erzeugen, die jede Galaxie umkreisen. Im anderen Extremfall würde ein ultraleichtes Teilchen der dunklen Materie (ULDM), das gemeinhin als Fuzzy Dark Matter“ (FDM) oder „unscharfe“ dunkle Materie bezeichnet wird, eine eher wellenförmige Verteilung der dunklen Materie in jeder Galaxie erzeugen.
Gravitationslinsen sind eine der vielversprechendsten Methoden, um die Natur der dunklen Materie zu untersuchen. Wenn das Licht einer weit entfernten Quelle um eine dazwischen liegende Linsengalaxie herum gebeugt wird, sehen wir mehrere vergrößerte und verzerrte Kopien der Quelle (siehe Abbildung 1). Die kleinräumige Verteilung der dunklen Materie, die man sich als „Textur“ in der Gravitationslinse vorstellen kann, prägt den Linsenbildern ein subtiles Signal auf. Dieses lässt sich beobachten, sofern die Aufnahmen empfindlich genug sind. In einer Linsengalaxie, die FDM enthält, ist dieser Effekt vergleichbar mit einer Glasscheibe, in die ein wellenförmiges Muster eingearbeitet ist, wie etwa bei einem Badezimmerfenster. Sie lässt das Licht durch, verzerrt aber das Bild, sodass wir nicht klar erkennen können, was sich auf der anderen Seite befindet. Indem wir nach dem Vorhandensein (oder Fehlen) solcher subtilen wellenförmigen Verzerrungen in dem Licht suchen, das durch eine Gravitationslinse fällt, können wir auf die Masse des Teilchens der dunklen Materie schließen. In Theorien über unscharfe dunkle Materie erzeugt ein leichteres Teilchen eine „unscharfe“ Linse. Wir können daher die Beobachtung einer Gravitationslinse nutzen, um die Masse des Teilchens zu bestimmen.
Die Winkelauflösung der Beobachtung, das heißt die Größe der kleinsten Merkmale, die wir am Himmel erkennen können, setzt eine Grenze, wie genau wir diese unscharfe Textur in der Dichte von Gravitationslinsen-Galaxien messen können. Die beste Empfindlichkeit für die Masse der dunklen Materieteilchen erhalten wir, wenn wir ein Gravitationslinsensystem mit der höchstmöglichen Winkelauflösung beobachten. Dies erreichen wir, indem wir die Signale von Radioantennen auf der ganzen Erde zusammenschalten, die sogenannte Very Long Baseline oder VLBI-Interferometrie. Für diese Arbeit verwenden wir eine VLBI-Beobachtung des gravitativ gelinsten Radiojet MG J0751+2716 mit einer Winkelauflösung von nur fünf Millibogensekunden, also etwa einem Millionstel Grad. Auf den VLBI-Bildern sind die langen, dünnen Linsenbögen zu sehen, die sich perfekt für die Suche nach den kleinräumigen Gravitationsstörungen eignen, die von der unscharfen dunklen Materie verursacht werden.
Wie „unscharf“ darf dunkle Materie nun aber sein?
Abb. 2: Beispiele für verschiedene Fuzzy-Linsenmodelle aus unserer Analyse. Die Farbkarten in der oberen Reihe zeigen die Dichte der Gravitationslinse, wobei die Radio-Bögen der gelinsten Quelle in Orange dargestellt sind. Die unteren Felder zeigen die entsprechenden Bilder der Quelle, die für jedes Linsenmodell abgeleitet wurden. Die Masse des dunklen Materieteilchens nimmt von links nach rechts zu. Ein sehr leichtes Teilchen aus dunkler Materie erzeugt eine sehr unscharfe Linse (linke Spalte), und die Daten können nicht ohne eine physikalisch unrealistische Quelle erklärt werden. Diesem Modell wird daher eine geringe Wahrscheinlichkeit zugewiesen.
Wir haben viele tausend Gravitationslinsen simuliert und dabei FDM mit unterschiedlichen Teilchenmassen der dunklen Materie einbezogen (siehe Abbildung 2). Für jedes dieser unscharfen Linsenmodelle berechnen wir die Wahrscheinlichkeit, dass die beobachteten Daten durch solch eine Linse erzeugt wurden. Durch die Berechnung von Tausenden dieser Wahrscheinlichkeiten bei vielen unterschiedlichen Teilchenmassen leiten wir die Wahrscheinlichkeit ab, dass die dunkle Materie aus einem Teilchen einer bestimmten Masse besteht, wenn die entsprechenden beobachteten Daten vorliegen. Ist das Linsenmodell zu unscharf, so wird das rekonstruierte Bild der Quelle physikalisch unrealistisch. Mit zunehmender Teilchenmasse erreichen wir einen Punkt, an dem die Daten eine unscharfe Linse nicht mehr von einem vollkommen glatten Linsenmodell unterscheiden können. Wir stellen fest, dass die Masse eines „Fuzzy“ Dunkle-Materie-Teilchens mit 95-prozentiger Sicherheit nicht kleiner als 4∙10-21 Elektronvolt ist.
Diese Arbeit zeigt, dass hochauflösende VLBI-Beobachtungen die Natur der dunklen Materie mithilfe des starken Gravitationslinseneffektes untersuchen können. Die unscharfe dunkle Materie ist nur eines von vielen verschiedenen theoretischen Modellen für dunkle Materie. In zukünftigen Arbeiten werden wir VLBI-Beobachtungen von Gravitationslinsen nutzen, um andere Modelle für dunkle Materie zu überprüfen, darunter die warme dunkle Materie (WDM) und die selbst-interagierende dunkle Materie (SIDM).
