Warum fehlt das Signal in Zwerggalaxien?
Das Problem: Bisher haben Astronomen keinen Gammastrahlungsüberschuss in Zwerggalaxien nachweisen können. Eine mögliche Erklärung dafür wäre, dass in diesen massearmen Galaxien weniger Kollisionen Dunkler-Materie-Teilchen stattfinden. „Die Abwesenheit eines solchen Signals wurde bereits genutzt, um die Werte für die Annihilationswahrscheinlichkeit der Dunklen Materie einzugrenzen“, erklären Berlin und sein Team. Die aktuellen Gamma-Teleskope könnten nicht sensitiv genug sein, um dieses schwache Signal einzufangen.
Denkbar wäre aber auch, dass Dunkle Materie sich nur unter bestimmten Bedingungen gegenseitig auslöscht – beispielsweise wenn die Teilchen mit hoher Energie aufeinanderstoßen. „Die kinetische Energie eines Dunkle-Materie-Teilchens im Zentrum der Milchstraße ist rund tausendmal höher als in einer Zwerggalaxie“, erklären die Astrophysiker. Deswegen könnten in kleineren Galaxien weniger Annihilationen stattfinden.
Anteile der beiden Dunkle-Materie-Varianten im Laufe der kosmischen Entwicklung: Nach Abkühlung des Kosmos liegt die meiste Dunkle Materie im Grundzustand x1 vor. Nur in dichten, energiereichen Umgebungen wie dem Milchstraßenzentrum (rot) ist der Anteil des angeregten Zustands x2 höher. Dort ist daher eine Annihilation durch Kollisionen beider Varianten häufiger als in Zwerggalaxien (blau) oder dem freien All (schwarz). © Berlin et al./ Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, CC-by 4.0
Zwei Zustände der Dunkle-Materie-Teilchen
Auf Basis dieser Annahme haben Berlin und sein Team nun eine neue, etwas komplexere Theorie entwickelt. Nach dieser existiert die Dunkle Materie im Kosmos in zwei Varianten. „Die Dunkle Materie könnte in Form von zwei verschiedenen Teilchen vorliegen und nur wenn sich beide treffen, kommt es zu einer Auslöschung“, erklärt Seniorautor Gordon Krnjaic vom Fermilab und der University of Chicago.
Konkret postulieren die Physiker, dass sich die meisten Dunkle-Materie-Teilchen in einem energieärmeren Grundzustand x1 befinden. Werden sie jedoch durch Energiezufuhr beschleunigt und angeregt, nehmen die Teilchen den etwas schwereren Zustand x2 an. „Diese Anregungsreaktion ist abhängig von der kinetischen Verteilung in einem astrophysikalischen System“, so das Team. In dynamischen, massereichen Umgebungen wie dem Milchstraßenzentrum werden daher mehr Dunkle-Materie-Teilchen angeregt als in weniger dichten und masseärmeren Zwerggalaxien.
Für eine Auslöschung braucht es beide
Der Clou dabei: Eine Annihilation findet diesem Szenario nach nur dann statt, wenn ein Dunkle-Materie-Teilchen im Grundzustand und ein angeregtes x2-Teilchen aufeinandertreffen. „Ohne eine signifikante Population von x2-Teilchen entsteht in Zwerggalaxien daher nur wenig Gammastrahlung“, erklären Berlin und seine Kollegen. Dieses Modell könnte damit erklären, warum Teleskope bisher kein Annihilations-Signal in Zwerggalaxien entdeckt haben.
„Wir präsentieren damit ein Modell der Dunklen Materie, in dem die Korrelation zwischen der Gammastrahlung aus dem Milchstraßenzentrum und aus Zwerggalaxien gebrochen ist“, schreiben die Astrophysiker. Die Existenz zweier Teilchenzustände der Dunklen Materie könnte damit aktuelle Beobachtungen erklären – und möglicherweise auch andere im Kosmos beobachtete Widersprüche in Bezug auf die Dunkle Materie. (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 2026; doi: 10.1088/1475-7516/2026/04/017)
Quelle: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, Sissa Medialab
13. April 2026
– Nadja Podbregar