Dunkle Materie vom schiefen Turm von Pisa fallen lassen: Ein neuer Test des Äquivalenzprinzips anhand der Zeitdilatation in Galaxienhaufen
Wirkt Schwerkraft auf die bisher nicht verstandene Dunkle Materie auf dieselbe Weise wie auf gewöhnliche Materie? Ein Team von Wissenschaftler:innen des MPA und der Universität Genf (Schweiz) hat eine neue Methode entwickelt, um diese Frage zu beantworten: Sie messen die Zeitdilatation in Galaxienhaufen. Mithilfe zukünftiger Datensätze könnte diese Methode Verstöße gegen das Äquivalenzprinzip mit einer Genauigkeit von wenigen Prozent nachweisen.
Im 16. Jahrhundert soll der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei Objekte mit unterschiedlicher Masse vom Schiefen Turm von Pisa fallen gelassen haben. Mit diesem Gedankenexperiment zeigte er, dass die Beschleunigung verschiedener Körper von ihrer Zusammensetzung oder Masse unabhängig ist. Seitdem gilt diese auf den ersten Blick kontraintuitive Tatsache als eine grundlegende Säule unseres Verständnisses der Gravitation und ist als schwaches Äquivalenzprinzip bekannt. Es besagt, dass jedes Teilchen, unabhängig von seiner Beschaffenheit, Schwerkraft auf die gleiche Weise erlebt.
Mehrere Experimente haben mit sehr hoher Präzision bestätigt, dass das schwache Äquivalenzprinzip für alle Teilchen gilt, aus denen die gewöhnliche Materie um uns herum besteht. Astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen deuten jedoch darauf hin, dass etwa 85 % der Materie im Universum dunkle Materie ist, die kein Licht aussendet und nur durch ihre gravitative Wirkung auf sichtbare Materie nachweisbar ist. Hätte Galileo eine kleine Menge dunkler Materie vom Turm von Pisa hinunterwerfen können, hätte diese dann die gleiche Beschleunigung erfahren wie die anderen Körper? Dies ist eine offene Frage, die helfen könnte, die Natur dieser mysteriösen Komponente besser zu verstehen.
Ein Team von Forschenden am MPA und der Universität Genf in der Schweiz – Sveva Castello, Enea Di Dio und Camille Bonvin – bemüht sich, diese Frage zu beantworten. Da dunkle Materie jedoch noch nie direkt nachgewiesen oder in einem Laborexperiment erzeugt wurde, ist es nicht möglich, sie einfach vom Turm von Pisa fallen zu lassen. Das Team hat jedoch eine neue Methode entwickelt, um ein analoges Experiment wie das von Galileo in Galaxienhaufen durchzuführen. Diese sind die größten durch Gravitation gebundenen Objekte im Universum und bieten daher die ideale Umgebung, um das Verhalten der Dunklen Materie unter dem Einfluss der Schwerkraft zu untersuchen. Der neue Test besteht darin, die beobachtete Bewegung der Galaxien innerhalb der Haufen mit der durch die Haufen selbst erzeugten Zeitverzerrung zu vergleichen.
Um die Idee hinter diesem Test zu verstehen, ist ein kleiner Abstecher in den Bereich von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie erforderlich, die unser modernes Verständnis der Gravitation liefert. Demnach lässt sich das Universum als vierdimensionale Raumzeit beschreiben, die sich in Gegenwart eines massereichen Objekts, wie beispielsweise eines Galaxienhaufens, wie eine Tischdecke verzerrt wird. Dadurch entstehen Gravitationspotentialtöpfe, die die Bewegung jedes Teilchens unter dem Einfluss der Gravitation bestimmen. Diese Verzerrungen wirken sich nicht nur auf den Raum, sondern auch auf die Zeit aus: Eine Uhr am Boden eines Potenzialtopfs tickt langsamer als eine außerhalb davon. Dieser als Zeitdilatation oder Zeitverzerrung bekannte Effekt liefert ein direktes Maß für das Gravitationspotenzial, das von einem massereichen Objekt erzeugt wird.
Wenn Dunkle Materie das schwache Äquivalenzprinzip verletzt – beispielsweise aufgrund unbekannter Wechselwirkungen – wird sich ihre Bewegung unter dem Einfluss der Schwerkraft von dem unterscheiden, was die Allgemeinen Relativitätstheorie vorhersagt. Da Galaxien größtenteils aus Dunkler Materie bestehen, wird sich eine solche Verletzung auf ihre beobachteten Geschwindigkeiten innerhalb eines Galaxienhaufens auswirken. Sie bewegen sich zu schnell oder zu langsam im Vergleich zum Gravitationspotential des Haufens, das anhand der Zeitverzerrung gemessen wurde. Dies deutet eindeutig auf eine Anomalie hin. Daher ist der Vergleich von Galaxiengeschwindigkeiten und der Zeitverzerrung in einem Galaxienhaufen ein aussagekräftiger Test für das schwache Äquivalenzprinzip.
Doch wie können wir die Zeitverzerrung in Galaxienhaufen messen, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, wenn wir keine Uhren über kosmologische Entfernungen senden können? Dies lässt sich erreichen, indem der Einfluss der Zeitverzerrung auf das Licht berücksichtigt wird. Aufgrund dieses Effekts wird die Wellenlänge des Lichts gestreckt, das von Galaxien in einem Haufen emittiert wird. Es erfährt eine Frequenzverschiebung, die sich in einer Veränderung seiner beobachteten Farbe äußert.
Dies führt zu einer gravitativen Rotverschiebung, die dank ihrer Symmetrieeigenschaften bei der Betrachtung von Galaxienpaaren von anderen Effekten, welche die Farbe des Lichts verändern, getrennt werden kann. Mithilfe dieser Technik gelang Radosław Wojtak, Steen H. Hansen und Jens Hjorth im Jahr 2011 die erste Entdeckung dieses Effekts. Sie nutzten einen Katalog von rund 100.000 Galaxien in Haufen aus dem Sloan Digital Sky Survey.
In der neuen Studie prognostizierte das Team des MPA und der Universität Genf, dass bestehende Messungen der Zeitverzerrung Abweichungen vom schwachen Äquivalenzprinzip im Bereich von 7–14 % nachweisen können. Laufende Galaxienvermessungen, wie die des Euclid-Satelliten und des Dark Energy Spectroscopic Instruments (DESI), werden Zugang zu größeren Stichproben von Galaxienhaufen bieten und somit zu einer höheren Präzision führen.
In einem realistischen Szenario werden zukünftige Datensätze empfindlich genug sein, um Verstöße gegen das Äquivalenzprinzip im Bereich von wenigen Prozent zu erkennen.
Als nächsten Schritt plant das Team, den Test auf Daten anzuwenden. Dies wird ermöglichen, Galileos Experiment auf astrophysikalischer Ebene zu wiederholen und somit entscheidende Informationen über die Eigenschaften der mysteriösen Dunklen Materie in Galaxienhaufen zu liefern. Die Entdeckung einer Verletzung des schwachen Äquivalenzprinzips hätte tiefgreifende Auswirkungen auf die Kosmologie, Astrophysik und Teilchenphysik und könnte auch unser grundlegendes Verständnis der Schwerkraft beeinflussen.
